طريقة رخيصة لإنتاج الخلايا الشمسية من الأسلاك النانوية

ويجب إيجاد طرق لتصنيع الخلايا الشمسية من مكونات رخيصة من خلال عمليات كيميائية رخيصة واستهلاك منخفض للطاقة، ويجب أن تكون قادرة على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بطريقة فعالة وتنافسية.

تمثل الخلايا الشمسية (أو الخلايا الكهروضوئية) إحدى التقنيات الأكثر احتمالاً لتوفير مصدر طاقة نظيف تمامًا ولا ينضب عمليًا ويمكنه تلبية احتياجات الإنسان المعيشية. ولكن لكي يصبح هذا الحلم حقيقة، لا بد من إيجاد طرق لإنتاج الخلايا الشمسية من مكونات رخيصة من خلال عمليات كيميائية رخيصة ومنخفضة الطاقة، ويجب أن تكون قادرة على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بطريقة فعالة وتنافسية. .

وقد نجح الآن فريق بحثي من مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في تحقيق اثنين من هذه المتطلبات الثلاثة ويعمل بشكل محموم على الشرط الثالث.

قاد الباحث بيدونغ يانغ، وهو كيميائي من قسم علوم المواد في المختبر، البحث الذي أدى إلى تطوير طريقة قائمة على الحلول لإنتاج الخلايا الشمسية تعتمد على هيكل الخلايا الشمسية ذات الأسلاك النانوية الأساسية/القشرية باستخدام الكادميوم. أشباه الموصلات الكبريتيدية للنواة) وكبريتيد النحاس (للقشرة). هذه الخلايا الشمسية المبنية على أسلاك متناهية الصغر رخيصة الثمن وسهلة الإعداد، ولها خصائص متفوقة على الخلايا الشمسية التقليدية ذات البنية المسطحة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الأسلاك النانوية الجديدة كفاءة في تحويل الطاقة بنسبة 5-4 بالمائة، وهي قيمة تنافسية للخلايا الشمسية المسطحة.

يقول الباحث الرئيسي: "هذه هي المرة الأولى على الإطلاق التي يتم فيها استخدام طريقة كيميائية لتبادل الكاتيونات قائمة على المحلول لتصنيع أسلاك نانوية أساسية/قشرية مكونة من بلورات مفردة عالية الجودة من كبريتيد الكادميوم وكبريتيد النحاس". "إن إنجازنا، إلى جانب زيادة امتصاص الضوء الذي أظهرناه سابقًا لمصفوفات الأسلاك النانوية، يشير إلى أن الأسلاك النانوية الأساسية/القشرية هي بالفعل عنصر واعد في تطوير تكنولوجيا الخلايا الشمسية المستقبلية." ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.

تتكون الخلايا الشمسية العادية الموجودة في السوق اليوم من أسطح بلورات زوران مفردة نقية للغاية تتطلب استخدام سمك 100 ميكرومتر من هذه المادة الباهظة الثمن من أجل امتصاص كمية كافية من ضوء الشمس. علاوة على ذلك، فإن المستوى العالي من التنقية المطلوبة يجعل إنتاج حتى أبسط الخلايا الشمسية المسطحة عملية معقدة ومستهلكة للطاقة ومكلفة.

والبديل الواعد بشكل خاص هو أسلاك أشباه الموصلات النانوية، وهي شرائح أحادية البعد من المواد يبلغ سمكها واحدًا على الألف من سماكة شعرة الإنسان الواحدة، ولكن طولها قد يصل إلى ملليمتر واحد. توفر الخلايا الشمسية المعتمدة على الأسلاك النانوية عددًا من المزايا مقارنة بالخلايا الشمسية المسطحة التقليدية، بما في ذلك فصل الشحنات وقدرات أفضل لجمع الطاقة، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيعها من مواد شائعة بدلاً من السبائك التي تتطلب معالجة معقدة ومكلفة. ومع ذلك، حتى الآن، فإن الكفاءة المنخفضة للخلايا الشمسية المعتمدة على الأسلاك النانوية قد طغت على مزاياها.

ويشير الباحث الرئيسي إلى أن "الخلايا الشمسية المعتمدة على الأسلاك النانوية التي تم تطويرها سابقًا كانت ذات كفاءة أقل من نظيراتها المسطحة". "تشمل الأسباب المحتملة لهذا الأداء الضعيف إعادة توصيل السطح والتحكم المحدود في جودة الوصلة pn عند استخدام عمليات الطلاء ذات درجة الحرارة العالية."

أساس جميع الخلايا الشمسية الموجودة في السوق اليوم هو طبقتان منفصلتان من المواد، إحداهما بها وفرة من الإلكترونات التي تعمل كقطب سالب، والأخرى بها وفرة من ثقوب الإلكترون (مساحات طاقة موجبة الشحنة) تعمل كقطب موجب. . عندما يتم امتصاص الفوتونات من الشمس، يتم استخدام طاقتها لإنشاء أزواج ثقب الإلكترون، والتي يتم فصلها في الخطوة التالية عند تقاطع pn (الواجهة بين الطبقتين) ويتم تجميعها ككهرباء.

منذ حوالي عام، أثناء العمل مع Zorn، طور الباحثون طريقة غير مكلفة لتحويل الوصلات pn الموجودة في الخلايا الشمسية العادية إلى تقاطع pn دائري حيث تشكل طبقة من Zorn من النوع n غلافًا حول قلب أسلاك Zorn النانوية من النوع p . حولت هذه الهندسة بشكل فعال كل سلك من الأسلاك النانوية الفردية إلى خلية كهروضوئية وحسنت بشكل كبير قدرات امتصاص الضوء للأغشية الرقيقة الكهروضوئية القائمة على الزورن. الآن، اتبع الباحثون هذا النهج لإنشاء أسلاك نانوية أساسية/غلافية باستخدام كبريتيد الكادميوم وكبريتيد النحاس، ولكن هذه المرة باستخدام كيمياء المحاليل، والتي لا تتطلب ظروف درجات حرارة عالية.
أخبار الدراسة