سوف تعمل المكونات الكهروضوئية القائمة على الجرافين على تمكين مجمعات الطاقة الشمسية الرخيصة

قام مجموعة من الباحثين من جامعة جنوب كاليفورنيا بإعداد طبقات مرنة وشفافة تعتمد على ذرات الكربون ذات إمكانية عالية لاستخدامها كنوع مبتكر من الخلايا الشمسية

قام مجموعة من الباحثين من جامعة جنوب كاليفورنيا بإعداد طبقات مرنة وشفافة تعتمد على ذرات الكربون التي تتمتع بإمكانية عالية لاستخدامها كنوع مبتكر من الخلايا الشمسية.

وكتب تشونغ وو تشو، أستاذ الهندسة الإلكترونية في جامعة جنوب كاليفورنيا: "يتم تقديم الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPV) كوسيلة لتوفير الطاقة بفضل بساطة إنتاجها وخفة وزنها وتوافقها العالي مع المواد المرنة". في مقال نشر في المجلة العلمية ACS Nano. وتشكل الطريقة الموصوفة في المقال تقدما حقيقيا نحو تصميم مبتكر لخلايا من هذا النوع تتمتع بمزايا كبيرة، خاصة في جانب المرونة الجسدية.

أحد المكونات الأساسية لأي جهاز إلكتروني ضوئي من نوع OPV هو قطب كهربائي موصل شفاف يستطيع الضوء من خلاله التفاعل مع المواد النشطة للحصول على الكهرباء. يشير البحث الجديد إلى أن الجرافين، وهو شكل من أشكال الكربون عالي التوصيل وشفاف، ويتكون من طبقات كربون بسمك ذرة واحدة، لديه إمكانات كبيرة للقيام بهذا الدور. وعلى الرغم من أن وجود الجرافين معروف منذ عقود، إلا أن الأبحاث الحثيثة عليه لم تبدأ إلا في عام 2004، وذلك بسبب صعوبة إنتاجه من حيث الجودة وبكميات كبيرة.

أفاد الباحثون في مختبر تشو قبل ثلاث سنوات عن إنتاج طبقات الجرافين على نطاق واسع باستخدام طريقة تعرف باسم "ترسيب البخار الكيميائي" (CVD). وباستخدام هذه الطريقة، تمكن فريق العلماء من تحضير طبقات جرافين رقيقة للغاية عن طريق الترسيب الأولي لذرات الكربون على شكل طبقات جرافين على سطح النيكل من غاز الميثان.

وفي الخطوة التالية، وضعوا طبقة واقية من اللدائن الحرارية فوق طبقة الجرافين، ثم قاموا بإذابة طبقة النيكل السفلية بسائل حمضي. وفي الخطوة الأخيرة، قاموا بربط طبقة الجرافين المحمية بالبلاستيك بورقة بوليمر مرنة، ثم قاموا بدمجها داخل خلية OPV. وتمكن الفريق البحثي من إنتاج طبقات من الجرافين/البوليمر تمتد حتى مساحة 150 سمXNUMX، ويمكن استخدامها للحصول على مصفوفات كثيفة من خلايا OPV المرنة.

تقوم خلايا OPV بتحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء، لكن كفاءتها أقل من خلايا السيليكون (السيليكون). تبلغ الطاقة المولدة من ضوء الشمس في يوم صافٍ وحار حوالي ألف واط لكل متر مربع. يوضح أحد الباحثين: "من كل ألف واط من الإشعاع الشمسي يضرب مساحة متر مربع من خلية شمسية تعتمد على مادة زوران، يتم الحصول على 14 واط من الكهرباء". "الخلايا الشمسية العضوية أقل كفاءة؛ إن كفاءة تحويل تلك الألف واط من الإشعاع الشمسي في الخلايا المعتمدة على الجرافين ستؤدي إلى تلقي 1.3 واط فقط."

ومع ذلك، فإن خلايا OPV القائمة على الجرافين تعوض، بشكل أكبر، افتقارها إلى الكفاءة من خلال التكلفة المنخفضة والمرونة الجسدية الأعلى. ويعتقد الباحثون أنه سيكون من الممكن في نهاية المطاف إنتاج أسطح واسعة مغطاة بخلايا شمسية من هذا النوع، على غرار إنتاج لفائف الصحف بواسطة المطابع.

"سيكون من الممكن تعليق هذه الأسطح كستائر في المنازل أو حتى إنتاج ألياف منها لاستخدامها كملابس لتوليد الكهرباء. ويضيف: "أستطيع أن أتخيل أشخاصًا يقومون بتشغيل هواتفهم أو أجهزة الموسيقى/الفيديو المحمولة أثناء الجري في يوم مشمس".

يدعي الباحثون أن خلاياهم الجديدة يجب أن تتمتع بميزة هامة واحدة على الأقل مقارنة بالتصميم المنافس لخلايا OPV المعتمدة على أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO). في التجارب التي أجريت في مختبرهم، يزعم الباحثون أن خلايا ITO فشلت بعد الانحناء بزاوية صغيرة، بينما ظلت خلاياها نشطة حتى بعد الانحناء المتكرر بزوايا تمدد أكبر. وهذا الاكتشاف سيعطي الخلايا الشمسية المعتمدة على الجرافين ميزة حاسمة في العديد من التطبيقات، بما في ذلك الأقمشة "المطبوعة"، كما اقترح الباحثون.

ويختتم المقال ويدعي أن النهج المبتكر يمثل تقدمًا كبيرًا نحو إنتاج أقطاب كهربائية موصلة شفافة في الخلايا الشمسية. "إن ترسيب البخار الكيميائي للجرافين يلبي معظم الشروط المهمة المطلوبة لاستبدال أكسيد الإنديوم والقصدير في المكونات الكهروضوئية العضوية، بما في ذلك: التوزيع العالي، والتكلفة المنخفضة، والموصلية، والاستقرار، والتوافق مع المكونات العضوية والمرونة الفيزيائية، والتي ينبغي أن تؤدي إلى تطوير من التطبيقات المهمة في مستقبل الأجهزة الإلكترونية الضوئية العضوية."

الخبر من الجامعة