القيود الهيكلية تقلل من كفاءة الخلايا الشمسية

اكتشف فريق من الباحثين من جامعة ولاية كارولينا الشمالية والمملكة المتحدة أن معدل تحويل الطاقة المنخفض في تكنولوجيا الخلايا الشمسية التي تتكون من البوليمرات فقط ينشأ من بنية الخلايا الشمسية نفسها

اكتشف فريق من الباحثين من جامعة ولاية كارولينا الشمالية والمملكة المتحدة أن معدل تحويل الطاقة المنخفض في تكنولوجيا الخلايا الشمسية التي تتكون من البوليمرات فقط ينشأ من بنية الخلايا الشمسية نفسها. ويأمل الباحثون أن تؤدي النتائج التي توصلوا إليها إلى تطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة.

تتكون الخلايا الشمسية القائمة على البوليمر من طبقات رقيقة من الهياكل المتشابكة التي تنشأ من مادتين بلاستيكيتين موصلتين مختلفتين، وهي شائعة جدًا بسبب رخصتها وقدرتها على دمجها على مجموعة متنوعة من الأسطح. ومع ذلك، فإن هذه الخلايا الشمسية لا تزال غير قابلة للتطبيق تجاريًا نظرًا لأن معدل تحويل الطاقة الخاص بها يبلغ ثلاثة بالمائة فقط - مقارنة بـ 20-15٪ في تقنيات الطاقة الشمسية الأخرى الموجودة.

وقال الدكتور هارالد أدي، أستاذ الفيزياء والتكنولوجيا: "يجب أن تكون الخلايا الشمسية رقيقة بما يكفي لامتصاص الفوتونات من ضوء الشمس، وأن يكون لها هياكل صغيرة بما يكفي للسماح للطاقة المحتبسة فيها بالتحرك نحو موقع فصل الشحنة وتصبح كهرباء قابلة للاستخدام". أحد مؤلفي الورقة التي تصف البحث والتي نشرت في المجلة العلمية Advanced Functional Materials and Nano Letters.

"تلتقط الخلايا الشمسية الفوتونات، لكن العناصر التي تحمل هذه الطاقة (الإكسيتونات) يجب أن تقطع مسافة طويلة، والواجهة بين الطبقتين البلاستيكيتين المختلفتين سميكة للغاية بحيث لا يمكن فصل الشحنة بشكل فعال، ويتم إهدار طاقتها ببساطة في الطريق. "

ويقول الباحث إنه لكي تعمل الخلية الشمسية بأعلى كفاءة ممكنة، يجب أن تكون سماكة الطبقة التي تمتص الفوتونات 150-200 نانومتر فقط. بالإضافة إلى ذلك، يجب على حامل الطاقة، الإكسيتون، أن يسافر مسافة عشرة نانومترات فقط قبل أن يتم فصل الشحنة. إن الشكل الذي يتم به تنظيم الخلايا البوليمرية حاليًا يمنع تحقيق هذه العملية.

ويوضح الباحث: "في النظام الذي اختبرناه، كان الحد الأدنى للمسافة التي يجب أن يقطعها حامل الطاقة هو 80 نانومتر، وهو حجم الهياكل الموجودة داخل الطبقة الرقيقة. بالإضافة إلى ذلك، في الطريقة التي يتم بها إنتاج هذه الأنظمة حاليًا، فإن الواجهة بين الهياكل غير محددة بوضوح، مما يؤدي إلى حقيقة أن الإكسيتونات، أو الشحنات، محاصرة على طول الطريق. لذلك، من الضروري تطوير أساليب إنتاج جديدة يتم من خلالها الحصول على هياكل أصغر وواجهات أكثر وضوحًا."
ويخطط فريق البحث لاختبار أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية القائمة على البوليمر لمعرفة ما إذا كانت كفاءتها المنخفضة تنبع من نفس المشكلة الهيكلية. ويأملون أن تقود معلوماتهم الكيميائيين والمصنعين إلى استكشاف طرق مختلفة لتصميم الخلايا الشمسية بشكل أكثر كفاءة.

"الآن بعد أن عرفنا سبب عدم عمل التكنولوجيا الحالية بشكل جيد، ستكون خطواتنا التالية هي اختبار العمليات الفيزيائية والكيميائية التي يمكنها إصلاح هذه المشاكل. وبمجرد أن نحصل على زيادة الكفاءة، سنكون قادرين على إعادة توجيه جهود البحث والإنتاج."

أخبار الدراسة