قفزة نوعية في تحويل الطاقة الشمسية
في تطور يمكن أن يعيد تعريف مستقبل الطاقة المتجددة، حقق الباحثون إنجازًا رائدًا في تكنولوجيا الخلايا الشمسية، متحديًا على ما يبدو حاجز الكفاءة طويل الأمد. نجح فريق من مختبر أبحاث الطاقة الكمومية في جامعة نيو هافن، بقيادة عالمة المواد الدكتورة لينا بتروفا، في إظهار طريقة لتوليد ناقلات طاقة بنسبة 130٪ تقريبًا أكثر من الفوتونات الممتصة، وذلك باستخدام مركب معدني جديد "مدور". يعد هذا الإنجاز، الذي تم تفصيله في العدد الأخير من مجلة Nature Photonics في أواخر تشرين الثاني (نوفمبر) 2023، بألواح شمسية أكثر قوة وكفاءة بشكل ملحوظ.
على مدى عقود، واجهت صناعة الخلايا الكهروضوئية القيود المتأصلة في خلايا السيليكون الشمسية التقليدية. تبلغ الكفاءة النظرية القصوى لخلية شمسية من السيليكون أحادية الوصلة، والمعروفة باسم حد شوكلي-كوايسر، حوالي 33.7%. ومن الناحية العملية، تعمل اللوحات التجارية عادة بنسبة تتراوح بين 18-22%، مع وصول الخلايا المخبرية المتطورة إلى حوالي 26.7%. ينشأ هذا الحد لأن كل فوتون وارد، بغض النظر عن طاقته، يمكنه عادةً توليد زوج واحد فقط من ثقب الإلكترون (أو الإكسيتون) لإنتاج الكهرباء. تحمل الفوتونات ذات الطاقة الأعلى طاقة فائضة تُفقد عادةً كحرارة.
فتح انشطار المفردة: المضاعف الكمي
يكمن الابتكار في تسخير عملية ميكانيكية كمية تسمى انشطار المفردة. في المواد التي تظهر انشطار المفردة، يمكن لفوتون واحد عالي الطاقة ممتص أن يولد *إثنين* من الإكسيتونات ذات الطاقة المنخفضة بدلاً من واحد فقط. يؤدي هذا إلى مضاعفة عدد حاملات الشحنة المتاحة للتحويل إلى كهرباء من حدث فوتون واحد، وبالتالي التحايل على حد شوكلي-كوايسر لتوليد الإكسيتون.
د. حقق فريق بتروفا هذا الإنجاز الرائع من خلال تطوير مركب معدني عضوي فريد من نوعه "يدور ويقلب"، والذي أطلقوا عليه مبدئيًا اسم "محفز بتروفا". تم تصميم هذا المجمع لالتقاط الطاقة بكفاءة من الفوتونات الواردة ومن ثم تقسيم حالة الإلكترون المثارة (إكسيتون منفرد) بسرعة إلى اثنين من الإكسيتونات الثلاثية. تشير آلية "التدوير والقلب" إلى المعالجة الدقيقة لدوران الإلكترون داخل المجمع، مما يؤدي إلى تحسين عملية نقل الطاقة والانقسام. توضح الدكتورة بتروفا: "لقد قمنا بتدريس مادة أساسية لتحقيق المزيد من القليل". "من خلال الضبط الدقيق للبنية الإلكترونية للمحفز الخاص بنا، يمكننا التأكد من أن كل فوتون عالي الطاقة يتم امتصاصه تقريبًا يؤدي إلى إنشاء حاملات شحن متعددة، مما يترجم إلى ما يقرب من 130% من كفاءة توليد الإكسيتون في ظل ظروف إضاءة محددة."
ما وراء المختبر: التحديات والتكامل
في حين أن الرقم 130% يمثل كفاءة كمية داخلية غير مسبوقة لتوليد الإكسيتون، فمن المهم أن نفهم أن هذا لا يترجم مباشرة إلى كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية بنسبة 130% للوحة شمسية جاهزة. لا تزال الألواح الشمسية في العالم الحقيقي تواجه خسائر أخرى بسبب امتصاص الضوء، واستخلاص الشحنات، ومقاومة المواد. ومع ذلك، فإن تحقيق هذا المستوى من مضاعفة الإكسيتون يرسي الأساس للألواح المستقبلية لتتجاوز الكفاءات العملية الحالية بشكل كبير، ومن المحتمل أن تتجاوز علامة 30% للتصميمات الهجينة.
إن التحدي الرئيسي التالي لفريق الدكتورة بتروفا والمجتمع العلمي الأوسع هو دمج هذه المادة المتقدمة في هياكل خلايا شمسية مستقرة وفعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير. يركز البحث الحالي على الآلية الأساسية، ولا تزال الجدوى التجارية على بعد عدة سنوات. ويتصور الباحثون أن هذه المواد المغزلية يمكن استخدامها كطبقة رقيقة جنبًا إلى جنب مع خلايا السيليكون التقليدية، مما يؤدي إلى إنشاء أجهزة هجينة يمكنها التقاط نطاق أوسع من ضوء الشمس بكفاءة أكبر.
مستقبل أكثر إشراقًا وقوة للطاقة الشمسية
إن الآثار المحتملة لهذا الاختراق عميقة. تعني الألواح الشمسية الأكثر كفاءة أن هناك حاجة إلى مساحة أقل من الأرض لتوليد نفس الكمية من الكهرباء، مما يقلل من البصمة البيئية لمزارع الطاقة الشمسية واسعة النطاق. ويمكنه أيضًا خفض تكلفة كل واط من الطاقة الشمسية، وتسريع التحول العالمي بعيدًا عن الوقود الأحفوري وجعل الطاقة النظيفة في متناول الدول النامية.
"هذا أكثر من مجرد تحسن تدريجي؛ إنه إعادة تفكير أساسية في كيفية تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء"، كما اختتم الدكتور بيتروفا. "على الرغم من أن هناك عملًا هندسيًا كبيرًا في المستقبل، فقد فتحنا طريقًا جديدًا لحلول طاقة أكثر قوة واستدامة بشكل كبير. إن عصر الطاقة الشمسية "فائقة الكفاءة" حقًا يلوح في الأفق، مما يعد بتعزيز كبير لمعركتنا ضد تغير المناخ وندرة الطاقة." يعج المجتمع العلمي بالترقب، ويراقب عن كثب انتقال هذه التكنولوجيا الواعدة من عالم الكم نحو التطبيق العملي.
