ستوفر الشمس طاقة أكثر من كافية لتلبية جميع احتياجاتنا، فقط إذا تمكنا من استخدامها بتكلفة رخيصة وبكفاءة. يمكن أن توفر الطاقة الشمسية بديلاً نظيفاً للوقود الأحفوري، ولكن التكلفة العالية لإنتاج الخلايا الشمسية تشكل قيداً كبيراً على استخدامها على نطاق واسع.
وجد باحثون من جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة أن إضافة طبقة واحدة من الجزيئات العضوية إلى الخلية الشمسية يمكن أن يزيد من كفاءتها ثلاثة أضعاف، ويمكن أن يؤدي أيضًا إلى تطوير ألواح شمسية أرخص وأكثر كفاءة. ونشرت نتائج هذه الدراسة في المجلة العلمية أكس نانو.
أصبح أستاذ الهندسة الكيميائية ستايسي بينيت مهتمًا بتطوير نوع جديد من تكنولوجيا الطاقة الشمسية منذ عامين. تستخدم هذه الخلايا الشمسية جزيئات صغيرة من أشباه الموصلات تسمى "النقاط الكمومية". يعد إنتاج الخلايا الشمسية القائمة على النقاط الكمومية أرخص من الطرق التقليدية، لأنها تستخدم تفاعلات كيميائية بسيطة. ومع ذلك، على الرغم من الوعد الكامن فيها، إلا أنها تتخلف كثيرًا عن الخلايا الشمسية الموجودة من حيث الكفاءة.
يقول الباحث: "أتساءل عما إذا كان بإمكاننا استخدام معرفتنا بالكيمياء لتحسين كفاءتها". وإذا نجحت في القيام بذلك، فإن انخفاض تكلفة هذه الخلايا الشمسية يمكن أن يؤدي إلى اعتماد هذه التكنولوجيا على نطاق واسع. ويوضح الباحث أنه من حيث المبدأ، ستكون الخلايا المبنية على النقاط الكمومية قادرة على تحقيق كفاءة أعلى، ويرجع ذلك إلى القيود الأساسية للخلايا الشمسية الطبيعية.
تعمل الخلايا الشمسية باستخدام الطاقة المستمدة من الشمس لإثارة الإلكترونات بقوة. تنتقل هذه الإلكترونات المثارة من مستوى طاقة أقل إلى مستوى أعلى، تاركة "ثقبًا" من حيث أتت. تستخدم الخلايا الشمسية مادة شبه موصلة لتوصيل الإلكترونات في اتجاه واحد، ومادة مختلفة لتوصيل الثقوب في اتجاه آخر. هذا التدفق من الإلكترونات والثقوب هو المسؤول عن استقبال التيار الكهربائي.
ومع ذلك، هناك حاجة إلى حد أدنى معين لفصل الإلكترون تمامًا عن ثقبه. تختلف هذه الكمية من مادة إلى أخرى وتعتمد على الطول الموجي (اللون) للضوء الذي تمتصه المادة بأفضل طريقة. السيليكون هو المادة الأكثر شيوعا في الخلايا الشمسية لأن كمية الطاقة اللازمة لإثارة الإلكترونات فيه قريبة من الطول الموجي للضوء المرئي. ومع ذلك، فإن الخلايا الشمسية المكونة من مادة واحدة تتمتع بكفاءة قصوى تبلغ 31% فقط، وهو القيد الذي يأتي من الكمية الثابتة من الطاقة التي يمكنها امتصاصها.
في الخلايا الشمسية المبنية على النقاط الكمومية، لا يوجد هذا القيد، وبالتالي فهي قادرة على أن تكون أكثر كفاءة. تعتمد مستويات طاقة الإلكترونات في النقاط الكمومية شبه الموصلة على حجمها، فكلما كانت النقطة أصغر، زادت الطاقة المطلوبة لإثارة الإلكترون ورفعه إلى مستوى أعلى.
وبالتالي، يمكن ضبط النقاط الكمومية لامتصاص طول موجي معين من الضوء ببساطة عن طريق تغيير حجمها. ويمكن استخدامها أيضًا لبناء خلايا شمسية أكثر تعقيدًا تتضمن أكثر من نوع واحد من النقاط الكمومية ذات حجم محدد، مما سيسمح باستقبال عدد كبير من الأطوال الموجية.
قام الباحثون بتغليف شبه موصل ثاني أكسيد التيتانيوم داخل الخلية الشمسية القائمة على النقاط الكمومية بطبقة أحادية رقيقة جدًا من الجزيئات العضوية. نظمت هذه الجزيئات نفسها بشكل مستقل، أي أن العلاقات المتبادلة بين الجزيئات جعلتها تنتظم معًا بطريقة منظمة. تم وضع النقاط الكمومية على السطح البيني بين الطبقة العضوية وأشباه الموصلات. وقد قام الباحثون بتجريب عدد من الجزيئات العضوية المختلفة لفحص أي منها هي المادة الأفضل لزيادة كفاءة الخلايا.
اكتشف الباحثون أن النوع المعين من الجزيئات لا يهم، فمجرد وجود طبقة عضوية أحادية بسمك أقل من نانومتر كان كافياً لمضاعفة كفاءة الخلايا الشمسية ثلاث مرات. وقال الباحث: "لقد فوجئنا بهذه النتيجة، فقد اعتقدنا أن أشباه الموصلات ستكون حساسة للغاية لنوع معين من الجزيئات".
ويضيف الباحث ويقول إن النتيجة كانت منطقية بالفعل عند الرجوع إلى الماضي، وطور الباحثون نموذجًا جديدًا - الاعتماد على طول الجزيء، وليس على الطبيعة المحددة. الجزيئات الكبيرة جدًا لا تسمح للنقاط الكمومية بالتفاعل بشكل صحيح مع أشباه الموصلات.
تدعي نظرية الباحثين أنه منذ اللحظة التي تخلق فيها الطاقة الشمسية زوجًا من الثقوب الإلكترونية، تساعد الطبقة العضوية الرقيقة على فصلهما، مما يمنعهما من إعادة الاتحاد والضياع. ولم يتمكن الباحثون بعد من تحسين أداء خلاياهم الشمسية، وقد حققوا حتى الآن كفاءة تبلغ 0.4 بالمئة فقط. ومع ذلك، يستطيع الباحثون تغيير عدد من الخصائص في الخلية، وبالفعل، بمجرد قيامهم بذلك، فإن الزيادة في الكفاءة بمقدار ثلاثة أضعاف، والتي تنتج عن وجود الطبقة العضوية الرقيقة، ستكون أكثر أهمية بكثير.
وتوضح الباحثة الرئيسية أن النقاط الكمومية التي تستخدمها حاليا، والتي تتكون من مادة كبريتيد الكادميوم، ليست مثالية للخلايا الشمسية ويخطط الباحثون لاختبار مواد أخرى. بالإضافة إلى ذلك، يخططون لفحص جزيئات أخرى لتحضير الطبقة العضوية، ولتغيير تصميم الخلية الشمسية لمحاولة الحصول على كمية أكبر من امتصاص الضوء وبالتالي إنتاج شحنة كهربائية أكبر.
تعليقات 14
تكاليف المواد الخام مرتفعة (هناك أيضًا طلب زائد في السوق في السنوات الأخيرة بسبب الدعم المقدم للمستثمرين من القطاع الخاص/المؤسسات من حكومات مثل ألمانيا والولايات المتحدة وإيطاليا... وكذلك إسرائيل في العامين الماضيين). هناك عدد قليل جدًا من الشركات التي تعمل بشكل عمودي - فهي متكاملة رأسيًا في العملية بأكملها بدءًا من إنتاج البولي سيليكون وحتى الألواح.
لذلك، على الرغم من إنشاء سوق تنافسية من العديد من الشركات التي تنتج كل عملية، فإن تكاليف النقل والعقود طويلة الأجل لهذا وذاك تخلق أيضًا أسعارًا مرتفعة.
ولكي نكون صادقين، فإن معظم الخلايا مصنوعة من بولي السيليكون الذي يكلف حوالي 70-80 دولارًا للكيلوغرام الواحد. يبلغ سعر الشركة المصنعة للخلية الشمسية حوالي 1.1-1.3 دولار لكل واط. (لوحة حوالي 1.3-1.5 يورو لكل واط)
"لقد فوجئنا بهذه النتيجة..." بمعنى آخر، النموذج الذي بنيناه والذي اعتمد على المعرفة الموجودة لم يكن صحيحا من الناحية العملية، لذلك في رأيي لا يستحق الاستثمار كثيرا في النظريات. يجب عليك اجمع دائمًا بين العملي والنظري، فالتجربة الصغيرة توفر سنوات من النظريات التي قد يتبين أنها "مفاجئة" في أول تجربة صغيرة!
حظا سعيدا، نجاحهم هو نجاح الجميع!
أفيشاي:
وحتى الطاقة التي تمتصها الخلايا الشمسية لا تتوقف عن الوصول إلى الأرض. إنها ببساطة تعمل قبل أن تتبدد كحرارة وإشعاع بدلاً من أن تتبدد على الفور.
ولذلك لا يوجد شيء اسمه "الاستغلال المفرط".
ومن ناحية أخرى، فمن الممكن من حيث المبدأ إحداث ضرر بيئي إذا تم نشر الخلايا الشمسية في المناطق التي تعيش فيها الحيوانات والنباتات لأنها تستخدم الطاقة الشمسية أيضًا في بعض الأحيان.
يهودا:
لا تحصل على براءة اختراع لما تفعله، ولكن لكيفية القيام بذلك.
ولذلك كلامك غير صحيح.
لاني مجرد سؤال
إن الاختراق كما يطلق عليه ليس سوى بداية طريق طويل وشاق، وفي بعض الأحيان يكون مصيره الفشل التجاري.
ولكن عندما يكون هناك الكثير من المال والعقول الطيبة ورجال الأعمال الجادين مثل شاي أغاسي يدفعون من أجل تحقيق ذلك
أنا مقتنع بأن الأمر يستغرق بضع سنوات حتى تشعر بالتغيير.
كما يزداد معدل الزيادة في كمية الكهرباء الشمسية وبالتالي يزداد التغير
ففي عام 2008 على سبيل المثال، كان ما مجموعه 0.02% من استهلاك البشرية للطاقة يأتي من الطاقة الشمسية (ويكيبيديا)
وفي مقال آخر يزعم أن 7% من إجمالي الطاقة في العالم يتم إنتاجها من مصادر متجددة
http://www.eia.doe.gov/cneaf/solar.renewables/page/trends/rentrends.html
قليل من التفاؤل والصبر 🙂
قرأت في هذا الموقع (يومي الإثنين والخميس تقريباً) عن الكثير من الإنجازات في مجال الخلايا الشمسية، فكيف لم تحل محل طاقة النفط والفحم حتى الآن؟ وأين تتجلى كل هذه الإنجازات عمليا على أرض الواقع؟
تزود الشمس الأرض بطاقة تبلغ حوالي 10 أس 24 جول
يستخدم الجنس البشري حوالي 10 أس 18 من الجول
(البيانات حسب ويكيبيديا)
لذلك من وجهة نظر عالمية، حتى لو كانت كل احتياجات الإنسان من الطاقة تأتي من الشمس، فإنها لن تغير كثيرًا من كمية الطاقة التي تصل إلى الأرض كما هي (فارق ستة أوامر من حيث الحجم - جزء من المليون مما الشمس تزود).
سلام،
أردت أن أعرف هل هناك أي دراسات حول التأثيرات البيئية للاستخدام "الزائد" للطاقة الشمسية؟
يا له من جمال. اكتشف طريقة اقتصادية أخرى لصنع الخلايا الشمسية.
لقد اكتشفوا في السنوات الثلاث الماضية العديد من الطرق التي تبدو اقتصادية وستعمل على خفض التكاليف.
أنا أنتظر بفارغ الصبر الحصول على خصم كبير في هذا المجال.
لسوء الحظ، اشتريت لوحين شمسيين فقط، وأتمنى أن ينخفض السعر حتى أتمكن من شراء المزيد.
لقد وصل الأمر إلى أنه حتى لو لم يكن هناك شيء مهم بالنسبة للباحثين، فإنهم يفضلون النشر حتى يذكروا دائمًا أنهم الأوائل. مثال
لم يتم اكتشاف الحياة خارج كوكب الأرض. من المعروف. لكن إذا اكتشفوا ذلك، فإن وكالة ناسا ستصر على نشرها أولاً في قصة النيزك الذي "جاء" من المريخ، وهو ما يُعرف بأنه دليل إشكالي للغاية.
هنا أيضًا، في منشور جامعة ستانفورد، يتعلق الأمر بطبقة من شأنها أن تزيد من كفاءة الخلية الكهروضوئية، في الواقع دون القدرة على إثبات ذلك.
باختصار، عنوان منفجر دون أي شيء حقيقي بعده.
وبطبيعة الحال، لن يتمكن شخص آخر من الحصول على براءة اختراع لأنه سبق أن قيل، وإذا فعلوا ذلك، فسيتعين عليهم التوصل إلى اتفاق مع جامعة ستانفورد، ناشر المقال.
يوم جيد
سابدارمش يهودا
ليات يوسف، تحياتي.
والحقيقة أن حيرتك مبررة ومفهومة.
ولكن يجب أن يكون مفهوما أن مصدر هذا الخبر هو في قسم المتحدثين باسم الجامعات والشركات الخاصة، ولذلك يتم التأكيد على المزايا وليس العيوب.
علاوة على ذلك، يمكن العثور على المزيد من التفاصيل العلمية في المقالة التي يتم نشرها عادة بعد الاكتشاف. يظهر رابط لمصدر المقال في كل خبر خاص بالعالم.
إلى رين،
أنا لست خبيرا ولكني متأكد من أنها مزيج من المواد الخام مع درجة عالية من النظافة.
وقد قدم الباحثون للكاتب معدل استخدام يبلغ 0.4 بالمائة ويزعمون أنه من الممكن الوصول إلى معدل استخدام يقارب 30-40 بالمائة (وهو أمر مثير للإعجاب). ولكن لم يتم عرض مثل هذه النتائج. هل أبهرك العنوان المتفجر وتخليت عن المنهج الشكّي (الذي هو قلب العلم)؟ والأمر أسوأ عندما تقرأ الجملة:
"في الواقع، بمجرد قيامهم بذلك، فإن الزيادة في الكفاءة بمقدار ثلاثة أضعاف، والتي تنتج عن وجود الطبقة العضوية الرقيقة، ستكون أكثر أهمية بكثير."
الجملة التي تبدأ بكلمة "وبالفعل" يجب أن تحتوي أيضًا على نتائج تدعم الجملة السابقة.
اسألني سؤال:
ما الذي يجعل الخلايا الشمسية باهظة الثمن؟
تكلفة الإنتاج أم المادة الخام؟
شكر