طور باحثون من التخنيون طريقة مبتكرة لزيادة كفاءة الأجهزة الكهروضوئية مثل الأقطاب الكهربائية الضوئية لتحليل الماء
طور الباحثون في التخنيون طريقة مبتكرة لزيادة كفاءة الأجهزة الكهروضوئية، من خلال زيادة التفاعل بين الضوء والمادة. جريدة المواد المتقدمة ويذكر أنه تم تطبيق الطريقة بنجاح في إنتاج خلية شمسية كهروكيميائية ضوئية تستخدم لإنتاج الهيدروجين من الماء بمساعدة الطاقة الشمسية. أجرى البحث طالب الدكتوراه عساف كاي وطالبة ما بعد الدكتوراه الدكتورة باربرا شيرير بتوجيه من رئيس مجموعة البحث البروفيسور أفنير روتشيلد من كلية علوم وهندسة المواد. طور الباحثون طريقة جديدة لإنتاج مواد خارقة تزيد من التفاعل بين الضوء والمادة في طبقات رقيقة جداً. تتكون هذه المواد من هياكل فوقية متعددة الطبقات تجمع بين طبقات رقيقة من المعادن وأكاسيد شبه موصلة. وكما ذكرنا فقد تم تطبيق الطريقة بنجاح في إنتاج الهيدروجين من الماء.
ويعتبر الهيدروجين وقودا واعدا لأن استخدامه غير ملوث. يتم إنتاجه عن طريق تحليل الماء باستخدام الطاقة الشمسية في عملية تسمى التحليل الكهربائي الضوئي. وفي هذه العملية، يتم امتصاص الفوتونات القادمة من الشمس بواسطة مادة شبه موصلة وتنقل طاقتها إلى الإلكترونات الموجودة في المادة التي تمتص الإشعاع. تُستخدم هذه الإلكترونات لتحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين (H2يا ح2 + ½س2). وذلك عن طريق كسر الرابطة الكيميائية بين ذرات الهيدروجين (H) والأكسجين (O) في جزيء الماء (H2يا). تكمن المشكلة في أنه في عمليات التحليل الكهربائي الضوئي، قد تفقد الإلكترونات الطاقة التي تلقتها من الفوتونات حتى قبل أن يتوفر لها الوقت لتحليل الماء. وتؤثر هذه الظاهرة، التي تسمى إعادة التركيب، على كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين. ولذلك فإن الحاجة إلى زيادة النسبة بين معدل التفاعل الكهروكيميائي الذي يتحلل الماء ومعدل إعادة التركيب واضحة.
يتم إجراء التحليل الكهربائي الضوئي بواسطة أقطاب كهربائية ضوئية تمتص الضوء وتحلل الماء. هذه الأقطاب الكهربائية الضوئية مطلوبة لامتصاص الفوتونات في أوسع نطاق ممكن وتحمل الظروف البيئية المعادية في المحاليل المسببة للتآكل. بالإضافة إلى ذلك، من المهم أن يتم إنتاجها من مواد رخيصة وشائعة وغير سامة. ونظرًا لتعقيد هذه التحديات، لم يتم تطوير أقطاب كهربائية ضوئية فعالة ومستقرة ورخيصة لسنوات عديدة. في عام 2012، قدم البروفيسور روتشيلد والدكتور تشين دوتان، في مجلة Nature Materials، تطوير الأقطاب الكهربائية الضوئية المعتمدة على أكسيد الحديد، وهو مكون رئيسي للصدأ. أظهرت هذه الأقطاب الكهربائية الضوئية، التي عملت على حبس الضوء في طبقات رقيقة، مزايا كبيرة مقارنة بالطبقات الموجودة.
ومع ذلك، فإن الطريقة المنشورة في عام 2012 خلقت تحديات جديدة، تتعلق بمتانة المرآة - الطبقة العاكسة الموجودة تحت الأكسيد. وتتكون هذه الطبقة من الألومنيوم أو الفضة، وهي مواد تميل إلى التأكسد أو الاسوداد على التوالي، وبالتالي تفقد فعاليتها في عكس الضوء. عند درجات الحرارة المرتفعة، وهي ضرورية لإنتاج القطب الضوئي، يتم تسريع هذه العمليات وتدمير تلك الطبقة. بعد ذلك، قام الدكتور دوتان بتطوير جهاز متعدد الطبقات بطبقات مختلفة من الحماية تمنع الأكسدة وتغميق المرآة. ومع ذلك، فإن تصنيع الجهاز كان معقدًا للغاية حتى الآن.
في الدراسة الحالية قام عساف كاي والدكتورة باربرا شيرير بتطوير طريقة إنتاج مبتكرة تعمل على عكس ترتيب ترسيب الطبقات في إنتاج الجهاز. في هذه الطريقة يتم ترسيب أكسيد الحديد فوق قطعة من السيليكون قبل ترسيب الطبقة المعدنية التي فوقها - المرآة. تمنع هذه العملية أكسدة المعدن الذي يمكن أن يترسب دون وجود الأكسجين وفي درجة حرارة منخفضة. ومع ذلك، خلقت الطريقة الجديدة مشكلة جديدة: حيث وضعت المرآة فوق أكسيد الحديد، على عكس البنية المطلوبة في الجهاز. لذلك، أضاف الباحثون خطوة أخرى في الإنتاج، حيث يقومون بقلب البنية الناتجة رأسًا على عقب، وإلصاقها رأسًا على عقب بقطعة أخرى من السيليكون وإزالة القطعة الأولى من السيليكون للكشف عن أكسيد الحديد الذي يستقر عليها. (هذه العملية موصوفة في الشكل 2.)
تمت إزالة القطعة الأولى من السيليكون من خلال الجمع بين عمليات الحفر الرطبة والجافة المستخدمة في عملية تصنيع رقائق الإلكترونيات الدقيقة. في هذه العمليات، يلزم الحذر الشديد حتى لا يتلف أكسيد الحديد الرقيق، الذي يبلغ سمكه حوالي 10 نانومتر فقط. ومن المهم أيضًا تجنب الشقوق المجهرية التي قد تتشكل في هذه العملية. ولتحقيق هذه الغاية، طور التخنيون عملية إنتاج فريدة يتم فيها استخدام طبقات واقية من السيليكا (SiO2) والألومينا (Al2O3)، كما هو مبين في الشكل 2. تم تطوير هذه العملية بمساعدة الطاقم المهني في مركز سارة وموشيه زيسافيل للإلكترونيات النانوية ومركز وولفسون للإلكترونيات الدقيقة في التخنيون.
تم عرض العملية المطورة في إنتاج خلية شمسية كهروكيميائية ضوئية لتحلل الماء، استنادًا إلى طبقة رقيقة من أكسيد الحديد (حوالي 10 نانومتر) فوق مرآة مستقرة من سبائك الفضة والذهب. أبعد من هذا المثال المحدد، الوارد في المقالة المنشورة فيالمواد المتقدمةتعد العملية الجديدة طفرة في إنتاج وتطوير المواد الخارقة التي تجمع بين الطبقات المعدنية والأكاسيد شبه الموصلة والمواد العازلة لإنشاء أجهزة كهروضوئية مبتكرة وهياكل نانوية ضوئية.
تم إجراء البحث الذي أدى إلى الاختراق الحالي بتوجيه من البروفيسور أفنير روتشيلد من كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون، بتمويل من صندوق الأبحاث (ERC) للاتحاد الأوروبي كجزء من البرنامج FP7. يشكر الباحثون الصناديق البحثية التي مولت العمل: ERC ومؤسسة ماري كوري (التي مولت توظيف طلاب ما بعد الدكتوراه الدكتورة باربرا شيرير والدكتور دانييل غاربا)، ومركز سارة وموشيه زيسافيل للإلكترونيات النانوية ومركز وولفسون للإلكترونيات الدقيقة، حيث العمليات الرئيسية في تطوير الجديد حدثت طريقة الإنتاج.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
المقال مثير للاهتمام. بعض المعلومات مفقودة: مدى دقة الطبقات (= مدى تجارية الطريقة). هل هذه الهياكل الكمومية أم الطبقات الميكرومترية؟ هناك مزيج من السيليكون مع مواد جديدة - ما مدى صعوبة زراعتها. إذا كان من السهل إنتاج المقاييس الدقيقة وبالتالي فإن السعر رخيص.
ما فائدة الخلية الجديدة؟ كم أنه يحسن كفاءة السيليكون. السيليكون شائع وسهل المعالجة. الباقي ليس كذلك.