تقنية جديدة تضاعف كفاءة الخلايا الشمسية

توصل باحثون من الولايات المتحدة لتقنية جديدة لرفع كفاءة الخلايا الشمسية بشكل هائل.
وبموجب هذه الطريقة يطلق جزيء ضوئي، فوتون، حركة إلكترونين، بشكل يؤدي إلى توليد تيار كهربائي، وذلك بعد أن كان كل فوتون يطلق إلكترونا واحدا، حتى الآن.
ونشر الباحثون تحت إشراف ماركوس أينتسنجر ومارك بالدو من معهد ماساشوسيتس للتقنية في مدينة كامبريدج الأمريكية، دراستهم بهذا الشأن اليوم في مجلة “نيتشر” المتخصصة.
تمتلك الأشعة الضوئية الزرقاء والخضراء موجات أقصر من الأشعة الأخرى، وفي مقابل ذلك فإن جزيئاتها الضوئية “الفوتونات” تحتوي على طاقة أكثر، حيث يمكن أن تكفي الطاقة التي بداخلها، حسب العلماء، لإطلاق إلكترونين من نواتهما، في السيلكون.
وكانت هذه الطاقة تضيع حتى الآن على شكل إشعاع حراري.
أدرك الفيزيائي الأمريكي ديفيد ديكستر، عام 1979 بالفعل، أن هذه التقنية ممكنة بشكل عام: فإذا صنعت الطبقة العليا للخلايا الشمسية من هيدروكربون التتراسين، فمن الممكن الحصول من أحد الفوتونات الغنية بالطاقة على أكسيتونين، مستويين من الطاقة، بدلا من واحد فقط.
الأكسيتونات هي حزم طاقة، تستطيع التحرك مثل الإلكترونات في المادة.
وكانت صعوبة تحقيق ذلك تكمن في نقل هذين الأكستونين الناتجين عن فوتون، من التيتراسين للسيليكون، بشكل يؤدي أيضا إلى إطلاق حركة إلكترونين في السيليكون، وذلك لفقدان تيار كهربائي بشكل متكرر عند سطح السيليكون.
ومن الممكن منع هذه الخسارة، بشكل كبير، من خلال استخدام طبقة بالغة الرقة من مادة أوكسنيتريد الهافنيوم، وهي طبقة لا يتجاوز سمكها 8ر0 نانو متر (النانو متر هو واحد على مليون من المليمتر)، والمساعدة على نقل الأكسيتونات من التيتراسين إلى السيليكون.
ويرى بالدو أن هذه الطبقة المصنوعة من أوكسنيتريد الهافنيوم حاسمة في توفير هذه الطاقة الضائعة، “وهذا هو السبب الذي منع باحثين آخرين من تنفيذ هذه العملية، والسبب الذي جعلنا نقوم بهذه العملية في النهاية”، حسبما جاء في بيان للمعهد.
يعتقد الباحثون أنه من الممكن رفع الكفاءة الممكنة نظريا في الوقت الحالي للخلايا الشمسية عند تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي من 1ر29% إلى نحو 35%، باستخدام المبدأ الجديد.
رأى كل من جوزيف لوثر و جوستين جونسون، من المختبر القومي الأمريكي للطاقة المتجددة، بمدينة جولدن، (ولاية كولورادو الأمريكية) أن هذه الخطوة “تمثل دفعة مثيرة للخلايا الشمسية”.
ورغم تأكيد الخبيرين الأمريكيين على أنه لا تزال هناك سنوات أمام الاستخدام التجاري لهذه التقنية، أوضحا أن هذه الطريقة تتميز بميزة عن غيرها من محاولات رفع كفاءة الخلايا الشمسية، “فهذه الاستراتيجية لا تتطلب اتصالات كهربية إضافية أو تغيرات في تشغيل الخلية الشمسية”.
وأثنى جان كريستوف جولد شميت، من معهد فرانهوفر الألماني لأنظمة الطاقة، على هذه الفكرة، قائلا في تعليق له على الدراسة: “إنها دراسة مهمة ومثيرة، ولكن المستقبل هو الذي سيكشف ما إذا كانت صالحة لصناعة خلايا شمسية أم لا”.
وأشار جولد شميت إلى أنه لا يزال أمام هذه الفكرة وقت طويل حتى تدخل حيز التسويق التجاري، وقال إن درجة فعالية الخلية الشمسية التي صنعها الباحثون، رغم تحفيز الإلكترونين هي 1ر5% فقط، رغم أن درجة فعالية الخلايا الشمسية المتداولة حاليا في الأسواق تصل إلى 24%.
يقول جولد شميت إن التقنية لا تكون أحيانا السبب في توليد تيار كهربائي أقل مما هو ممكن فعليا، حيث برهن بارت سويتس، وزملاؤه في معهد ETH زيورخ، أنه لولا تلوث الهواء لاستطاعت الصين توليد طاقة شمسية أكثر.
وتوصل فريق الباحثين تحت إشراف سويتس، إلى هذه النتيجة بعد تحليل بيانات عن ضوء الشمس في 119 محطة رصد لهذه الأشعة، في جميع أنحاء الصين.
وفقا لهذا التحليل فإن قدرة الصين على توليد التيار الكهربائي من الطاقة الشمسية في الصين انخفضت بسبب التلوث الهوائي، بنسبة 13% في الفترة من عام 1960 حتى عام .2015
يشار إلى أن الصين رائدة عالميا في توليد الطاقة الشمسية، حيث كانت الصين وراء أكثر من نصف الطاقة الكهربية الناتجة عن منشآت الطاقة الشمسية الجديدة التي تم تركيبها العام الماضي.
وفي الوقت ذاته فإن الصين تتسبب في أعلى معدلات انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على مستوى العالم.