تحسين كفاءة الألواح الشمسية الرخيصة

يمكن لترتيب جديد من المواد الكيميائية المألوفة أن يحسن كفاءة الألواح الشمسية الرخيصة، وذلك بفضل الزيادة الكبيرة في قدرة هذه المواد على امتصاص طاقة الشمس وإطلاقها على شكل كهرباء.

[ترجمة د.نحماني موشيه]

يمكن لترتيب جديد من المواد الكيميائية المألوفة أن يحسن كفاءة الألواح الشمسية الرخيصة، وذلك بفضل الزيادة الكبيرة في قدرة هذه المواد على امتصاص طاقة الشمس وإطلاقها على شكل كهرباء.

اكتشف فريق من العلماء من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس أنه من خلال ترتيب مكونات الألواح الشمسية بطريقة أشبه بالترتيب الموجود في الأنظمة الطبيعية التي تستخدم ضوء الشمس، يمكن فصل الشحنات الموجبة والسالبة بشكل ثابت لمدة طويلة تصل إلى عدة أسابيع، مقارنة بزمن جزء من المليون من الثانية – وهو المعدل الموجود اليوم في العديد من الألواح الشمسية الحديثة.

وقالت سارة تولبرت، البروفيسورة: "في عملية التمثيل الضوئي، تستخدم النباتات المعرضة لأشعة الشمس هياكل نانوية مرتبة خصيصًا داخل خلاياها لفصل الشحنات بسرعة - مع سحب الإلكترونات من الجزيء للحصول على شحنة موجبة والحفاظ على فصلها بمرور الوقت". الكيمياء في جامعة كاليفورنيا وأحد الباحثين الرئيسيين. "هذا الفصل هو المفتاح لجعل هذه العملية فعالة." أتاحت دراسات علم البلورات بالأشعة السينية التي أجراها الباحثون، على المستوى المجهري، معرفة الترتيب الأمثل للبنى النانوية الذي يشجع على فصل الشحنات مع مرور الوقت. وقد نشرت نتائج البحث مؤخرا في المجلة العلمية المرموقة علوم.

ومن أجل التقاط الطاقة من أشعة الشمس، تعتمد الخلايا الشمسية العادية الموجودة على أسطح المباني على مادة السيليكون، وهي مادة باهظة الثمن. يمكن أيضًا تصنيع الخلايا الشمسية العادية من مواد أرخص، مثل البلاستيك، ولكنها أقل كفاءة - ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى حقيقة أن الشحنات المنفصلة في المادة تندمج بسرعة مرة أخرى قبل أن يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية. وقال الباحث الرئيسي: "الخلايا الشمسية البلاستيكية الحديثة لا تتضمن هياكل عالية التنظيم، مثل تلك الموجودة في النباتات، لأننا حتى اليوم لم نعرف كيفية بنائها". "ومع ذلك، فإن نظامنا الجديد يفصل بين التهم المتعارضة ويتركها في هذه الحالة لعدة أيام، وحتى لعدة أسابيع. وبمجرد الانتهاء من تطوير الهيكل المناسب، يمكنك تحسين الحفاظ على الطاقة بشكل كبير."

وطور الباحثون نظاما يتكون من لفائف من البوليمر، وهي اللبنات الأساسية للبلاستيك، التي تمتص أشعة الشمس وتنقل الإلكترونات إلى الفوليرين (ويكيبيديا)، جزيء كربون كروي يُعرف أيضًا باسم "كرة بوكي". عادة ما يتم تنظيم المواد التي تشكل هذه الأنواع من الخلايا الشمسية بطريقة مشابهة لتلك الموجودة في طبق المعكرونة المطبوخة - كتلة غير منتظمة من لفائف البوليمر الرفيعة والطويلة ("السباغيتي") مع جزيئات الفوليرين الكروية التي يتم تنظيمها عشوائيًا (" كرات اللحم") فوقهم. ومع ذلك، فإن مثل هذا الترتيب يمثل مشكلة من حيث استقبال التيار من الخلية لأن الإلكترونات، في بعض الأحيان، تقفز مرة أخرى إلى البوليمرات وتتسبب في فقدان التيار الكهربائي.

وتمكن الباحثون من تنظيم مكونات النظام بطريقة أكثر تنظيمًا، حيث توجد عبوات صغيرة من السباغيتي بجانبها كرات اللحم في مواقع محددة. تم تصميم النظام بحيث يتم دمج بعض الفوليرين داخل عبوات البوليمر وإجبار البعض الآخر على البقاء خارجها. تقوم الفوليرينات الموجودة داخل الهيكل باستخراج الإلكترونات من البوليمرات وتنقلها إلى الفوليرينات الخارجية، مما يتيح الحفاظ الفعال على الإلكترونات المنفصلة عن البوليمر لمدة أسابيع. أثبتت العديد من التجارب أن هذا الترتيب هو الأكثر فعالية. يقول أحد الباحثين: "عندما لا تندمج الشحنات مرة أخرى، يصبح من الأسهل إخراجها من الخلية الشمسية على شكل كهرباء". "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إثبات مثل هذه الفترات الطويلة من فصل الشحنات باستخدام مثل هذه الأنواع من المواد."

ووجد الباحثون أن المواد تنظم نفسها في هذا الترتيب عندما تقترب من بعضها البعض. كما أن الترتيب الجديد أكثر صداقة للبيئة مقارنة بالتقنيات الحالية، وذلك في ضوء حقيقة أن المواد منظمة في الماء، بدلاً من المحاليل العضوية السامة المستخدمة على نطاق واسع اليوم. وقال أحد الباحثين: "بمجرد إعداد المواد، يمكنك ببساطة رميها في الماء وسوف تنظم نفسها للحصول على الهيكل المناسب بفضل تصميمها".

ملخص المقال

أخبار الدراسة