جديد تحت الشمس

"حلمي، فيما يتعلق بالطاقة البديلة، هو أنه في يوم من الأيام سيتم طلاء أسطح جميع المنازل بالطلاء الشمسي، مما سيوفر لهم جزءًا كبيرًا من استهلاكهم للكهرباء"، يقول البروفيسور ديفيد كان من قسم الطاقة الكهربائية. المواد والسطوح في كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم

فمن ناحية، كما نعلم، تعد الشمس مصدرا هائلا للطاقة. ومن ناحية أخرى، فإن استخدام هذا المورد ليس شائعا. لماذا ؟ الجواب على هذا السؤال مرتبط بالحقيقة المعروفة وهي أنه لا يوجد شيء مثالي في الحياة، ولا توجد وجبات مجانية. ولا تزال التقنيات المرتبطة باستخدام الطاقة الشمسية باهظة الثمن، وغير قادرة على تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بكفاءة كافية لجعلها مجدية اقتصاديًا لمعظم الاستخدامات. واستنادا إلى قوانين الفيزياء، فإن كفاءة الخلية الشمسية المنفردة الأكثر نجاحا لا يمكن أن تتجاوز 31% (في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية)، والكفاءة المحققة عمليا أقل من ذلك. لماذا إذن يستحق الاستثمار في الخلايا الشمسية ذات الكفاءة المنخفضة جدًا؟ الجواب البسيط على ذلك هو أن الاستثمار يؤتي ثماره إذا كانت الخلايا رخيصة بما فيه الكفاية. يقول البروفيسور كاهان: "الفكرة هي فهم القيود، بالإضافة إلى قدرات كل نوع من الخلايا الشمسية، وتحديد مكانة فريدة مناسبة لكل منها".

قبل نصف قرن من الزمان، حدد ويليام شوكلي وهانز كويزر ثلاثة قيود أساسية، والتي تنطبق على كل خلية شمسية وتؤدي إلى أقصى قدر من الكفاءة: يقتصر امتصاصها للضوء على نطاق صغير من الطيف الكامل لأشعة الشمس؛ ويضيع جزء كبير من الضوء الذي تمتصه الخلية على شكل حرارة؛ وبالإضافة إلى ذلك، يتم فقدان بعض التيار الكهربائي المتولد في الخلية قبل أن يتم استخدامه. هذه القيود الثلاثة، التي حصلت على اسم SQ بعد الأحرف الأولى من معرفيها، اعتبرت حتى الآن هي العوامل الوحيدة التي تحد من كفاءة الخلايا الشمسية. ولكن ماذا عن الجيل الأحدث من الخلايا الشمسية، والتي تتكون من مواد جزيئية - مثل البوليمرات العضوية - بدلا من المواد البلورية غير العضوية، مثل السيليكون؟ في التجارب المعملية، كفاءة هذه الخلايا بالكاد تقارن بكفاءة الخلايا الأقل كفاءة المستخدمة حاليًا تجاريًا، بل وغالبًا ما تكون أقل من تلك الخلايا. هل يرجع السبب في ذلك إلى صعوبات في التطوير، أو ربما هناك عوامل مقيدة أخرى، إلى جانب تلك التي حددها كويزر وشوكلي، يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار؟

لمحاولة معرفة إجابة هذا السؤال، قام البروفيسور ديفيد خان، بالتعاون مع باحثة ما بعد الدكتوراه فابريتا نايك (من معهد تاتا للأبحاث الأساسية في الهند)، وبمساعدة البروفيسور خوان بيسكارت من إسبانيا، بمقارنة وقاموا بتحليل أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية، بالرجوع إلى مجموعة واسعة من المعايير. تظهر النتائج التي توصلوا إليها، والتي نُشرت مؤخرًا في المجلة العلمية Advanced Materials، أن هناك بالفعل عوامل مقيدة إضافية تتجاوز تلك التي حددها Queiser وShukley - على الأقل بالنسبة للخلايا الشمسية المصنوعة من مواد عضوية - والتي قد تفسر الخسائر الكبيرة في الطاقة.

تتكون الخلية الشمسية النموذجية من الجيل القديم من طبقتين من أشباه الموصلات غير العضوية - وفي معظم الحالات يستخدم السيليكون لهذا الغرض. إحدى الطبقتين غنية بالإلكترونات، بينما الأخرى تفتقر إلى الإلكترونات. عندما يتم وضع الطبقات فوق بعضها البعض، يتم إنشاء مجال كهربائي. عندما تصطدم أشعة الضوء، التي تحمل طاقة كافية لتحرير الإلكترونات من روابطها، بشبه الموصل، يتم إنشاء تيار كهربائي. يعمل المجال الكهربائي الآن كبوابة ذات اتجاه واحد، وتتحرك الإلكترونات الحرة عبر سلك يربط بين الطبقتين - وبالتالي يتم توليد تيار كهربائي.

المشكلة هي أنه ليس كل الضوء الذي يصل إلى الخلية مستغل فعليًا: فالضوء ينفصل وفقًا لمستويات الطاقة للأطوال الموجية المختلفة التي تتكون منها (كما ترون - فيما يتعلق بالأطوال الموجية المرئية - بألوان قوس قزح). . فقط جزء معين من هذه الطاقة - الكمية الدقيقة التي تمليها خصائص المادة - ضروري لإطلاق الإلكترونات. إذا كانت أشعة الضوء الساقطة على المادة لا تحمل كمية كافية من الطاقة، فسوف تمر عبر الخلية ولا يتم استخدامها. وعلى العكس من ذلك، إذا كان الضوء يحمل كمية أكبر من الطاقة المطلوبة، فإن الطاقة الزائدة ستضيع على شكل حرارة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا فقدان الطاقة الكامنة عندما يعود الإلكترون المتحرر إلى حالته السابقة، قبل أن يكون كافيًا "للهروب" عبر السلك.

عند الحديث عن الجيل الجديد من المجمعات المصنوعة من مواد عضوية جزيئية، لا بد من أخذ عوامل إضافية بعين الاعتبار، تمليها الخصائص الكيميائية والفيزيائية لهذه المواد. ويعتقد البروفيسور خان أن هذه الحقيقة قد تفسر انخفاض كفاءتها. فبنية المواد العضوية، على سبيل المثال، أقل ترتيبًا. مطلوب قدر أكبر من الطاقة لإطلاق الإلكترونات لإنشاء تيار كهربائي. عندما يتم إطلاق إلكترون، بعد تفاعل الضوء مع المادة العضوية، يتم فقدان بعض الطاقة على شكل تقلبات في الرابطة الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الرابطة الكيميائية الضعيفة بين الجزيئات العضوية (مقارنة بالرابطة بين الذرات في المواد غير العضوية غير الجزيئية) تؤدي إلى انخفاض حركة الإلكترونات عبر شبه الموصل، مما يؤدي إلى فقدان بعض الإلكترونات المحررة طاقتها. وعلى الرغم من أن هاتين الآليتين، اللتين يتم فيهما هدر الطاقة، مشتركتان في جميع الخلايا الشمسية، إلا أنهما صغيرتان ولا يكاد يذكرهما في الخلايا الشمسية غير العضوية.

ومع ذلك، فإن البروفيسور خان ليس في عجلة من أمره للتخلي عن حلم الخلايا الشمسية الرخيصة والفعالة، العضوية وغير العضوية. ويقول: "بدلاً من استثمار الوقت والجهد في محاولة تحقيق كفاءة غير واقعية، يجب علينا أن نفهم حدود كل خلية، ونضع توقعات أكثر منطقية حول قدراتها، ونستفيد منها بشكل أكثر ملاءمة". "على سبيل المثال، يمكن أن تكون الخلايا الجزيئية مثالية كأصباغ شمسية، على الرغم من كفاءتها المنخفضة، وسيكون من الأرخص بكثير إنتاج خلايا شمسية مصنوعة من السيليكون، وهي غير مناسبة لهذا الاستخدام. كما يمكن أن تكون مناسبة لاستخدام أجزاء معينة من الطيف، أي لأطوال موجية محددة يصعب استخدامها بوسائل أخرى."

قد تكون نتائج البحث مفيدة أيضًا لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، لذلك يعتقد البروفيسور خان أن البحث قد يكون ذا صلة بأنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية. "الخلايا الشمسية هي نوع من "الإصدار التجريبي" الذي يسمح بالتعرف على جزء مهم من عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. إن الحصول على رؤى من شأنها أن تسمح بالتقدم نحو تطوير أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية والألوان الشمسية سوف يدفعنا إلى تجميع مصادر الطاقة المستقبلية لدينا.