أكثر كفاءةً وإنتاجيةً.. اكتشاف علمي ثوري سيغير صناعة الطاقة الشمسية إلى الأبد

اكتشف علماء جامعة رايس، في ولاية تكساس الأمريكية، ظاهرة جديدة لما يعرف بالتوسع الشبكي الناتج عن الضوء في مواد البيروفسكايت الممكن استخدامُها في إنتاج الألواح الشمسية؛ حيث يعمل هذا التوسع على مداواة العيوب والشوائب، بما يؤدي إلى تعزيز الخصائص الضوئية للبيروفسكايت.

وجاء ذلك نتاج جهود قادتها جامعة رايس، ومختبر لوس ألاموس الوطني، خلُصت إلى اكتشاف هذه الظاهرة في مركب البيروفسكايت، الذي يوصف بأنه مادة فعالة في جمع أشعة الشمس وتحويلها إلى طاقة، بحسب تقرير لموقع "أويل برايس".

وتم التوصل إلى أن الإضاءة تخلق حالة من الاسترخاء لشبكة مواد البيروفسكايت؛ ما يجعلها أكثر كفاءةً في جمع الأشعة الشمسية وتحويلها إلى طاقة. وقال الباحثون إن هذا الكشف يعكس طبيعة بعض المواد الشبيهة بالبشر الذين يؤدون أعمالهم أفضلَ بعد الاستجمام تحت الشمس.

قاعدة انطلاق لمفاهيم المستقبل

- أوضح الباحثون أن الإضاءة المتواصلة تحد الإجهاد الشبكي في بلورات البيروفسكايت، بما يسمح لها بالتوسع بشكل متشابه في جميع الاتجاهات، وهي عملية تساعد على علاج الخلل في جسم المكون.

- هذا بدوره يقلل الحواجز النشطة في عملية الاتصال؛ ما يسهل حركة الإلكترونات عبر النظام وتوصيل الطاقة إلى الأجهزة. وفيما يسهم ذلك في تحسين كفاءة تحويل الطاقة للخلية الشمسية، فإنه لا يضعف قدرتها على البقاء.

- تمثل الورقة البحثية التي أعدها العلماء ونشرت في مجلة "ساينس"، خطوة مهمة نحو إنتاج الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت من أجل تطوير الجيل القادم من أنظمة تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء وإلى تقنيات الوقود.

- يقول الباحثون إن صيغة تركيبات بلورات البيروفسكايت الهجينة، تشمل الكاتيون، ومعدنًا ثنائي التكافؤ، والهاليد، والتي تعمل كأشباه موصلات قطبية تشبه مركب زرنيخيد الغاليوم.

- تمنح هذه الخصائص، البيروفسكايت مُعامِل امتصاص أكبر من زرنيخيد الغاليوم (أشباه الموصلات الشائع استخدامها في الخلايا الشمسية التقليدية) للطيف الشمسي بأكمله. ويعني ذلك ضمنًا أن غشاء المركب يكفي لاستيعاب كل الضوء الساقط.

- على النقيض من هذا، يحتاج السيليكون مواد إضافية أكثر ألف مرة لاسيتعاب كمية الضوء الساقطة من الشمس.

قدرات هائلة

- أعد الباحثون أكثر من 30 غشاءً رفيعًا من أشباه الموصلات ذات اليوديد، وقاسوا قدرتها على نقل التيار، ليجدوا أنها عندما تُغمر بالضوء فإن الحاجز النشط بين البيروفسكايت والأقطاب يتلاشى مع ارتخاء الروابط بين الذرات.

- فوجئ الباحثون من استمرار تلاشي الحاجز لمدة 30 دقيقة بعد حجب الضوء. وأظهرت القياسات أن الجهاز الذي يعتمد على البيروفسكايت الهجين زاد كفاءة تحويل الطاقة من 18.5% إلى 20.5%.

- سجلت الخلايا كفاءةً تُعادل ضعف نظيرتها في جميع تقنيات السيليكون الضوئية، واحتفظت بـ85% من كفاءتها القصوى بعد 800 ساعة من التشغيل المتواصل عند الحد الأقصى للطاقة، ولم تتآكل كثافة التيار بعد 1500 ساعة عمل.

- قال الباحثون إن الدراسة تتجاوز الخلايا الكهروضوئية، وتربط لأول مرة بالديناميكيات الهيكلية الناتجة عن الضوء، بعمليات نقل الإلكترون الأساسية، ويتوقعون أن يؤدي ذلك إلى تقنيات تمكن من تكييف خصائص المواد القائمة على البيروفسكايت.