قام باحثون في جامعة ليهاي بتطوير مادة لديها القدرة على زيادة كفاءة الألواح الشمسية بشكل كبير.
وقدم الفريق البحثي نموذجًا أوليًا يستخدم مادة كمومية كطبقة نشطة في الخلية الشمسية. وأظهرت هذه المادة امتصاصًا كهروضوئيًا بنسبة 80% وكفاءة كمية خارجية تصل إلى 190%. وهذا من شأنه أن يشكل ثورة رائعة لقطاع الطاقة البديلة، حتى ولو كانت عملية التصنيع طويلة بشكل خاص.
تم تمويل هذا البحث من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ونشرت النتائج في مجلة Science Advances
يعد هذا العمل الفذ ملحوظًا لأنه يتجاوز الحد النظري الذي حددته كفاءة شوكلي-كوايسر للخلايا الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون. بالمقارنة، تتمتع الخلايا الشمسية التقليدية بحد أقصى لـ EQE يبلغ 100%.
"يمثل هذا العمل قفزة كبيرة إلى الأمام في فهم وتطوير حلول الطاقة المستدامة. وقال تشينيدو إيكوما، أستاذ الفيزياء بجامعة ليهاي ومؤلف البحث، إنه يسلط الضوء على الأساليب المبتكرة التي يمكن أن تعيد تعريف كفاءة الطاقة الشمسية والقدرة على تحمل تكاليفها في المستقبل القريب.
يرجع التحسن الكبير في كفاءة المواد إلى خاصية فريدة تسمى "حالات النطاق المتوسط". تشير حالات النطاق المتوسط هذه إلى مستويات طاقة محددة داخل البنية الإلكترونية للمادة، والتي تم وضعها لتكون مثالية لتحويل الضوء إلى طاقة.
في هذه المادة الجديدة، تسمح حالات النطاق المتوسط لها بالتقاط طاقة الفوتون المفقودة من الخلايا الشمسية التقليدية. على الرغم من أن أرقام EQE تصل إلى 100%، إلا أن الخلايا التقليدية تفقد الطاقة الضوئية من خلال الانعكاس والحرارة.
استغل الفريق "ثقوب فان دير فالس"، وهي مساحات صغيرة ذريًا بين طبقات من المواد ثنائية الأبعاد. وقاموا بإدخال ذرات النحاس الصفرية التكافؤ بين طبقات من مادة ثنائية الأبعاد مكونة من سيلينيد الجرمانيوم وكبريتيد القصدير. أدى هذا إلى زيادة كفاءة الخلية بشكل لا يصدق.
خذ بعين الاعتبار ورقتين رفيعتين (ثنائية الأبعاد) من المادة بهما فجوات صغيرة تسمى فجوات فان دير فالس. ولجعلها أكثر كفاءة، أدخل الباحثون ذرات النحاس الصفرية التكافؤ في هذه الفجوات، مما أدى إلى زيادة كفاءة الخلية.
رسم تخطيطي للخلية الشمسية ذات الأغشية الرقيقة مع Cu-GeSe / SnS كطبقة نشطة. (المصدر: مختبر إيكوما/جامعة ليهاي)
تم إنشاء نموذج أولي متقدم
وبعد النمذجة الحاسوبية الشاملة للنظام، طورت إيكوما النموذج الأولي للعمل
وقال: "إن استجابتها السريعة وكفاءتها المحسنة تشير بقوة إلى إمكانات GeSe/SnS المقحمة بالنحاس كمواد كمية للاستخدام في التطبيقات الكهروضوئية المتقدمة، مما يوفر طريقًا لتحسين الكفاءة في تحويل الطاقة الشمسية". وفقًا لإيكوما، فهو مرشح واعد لتطوير الجيل التالي من الخلايا الشمسية عالية الكفاءة.
سيتطلب دمج هذه المادة الجديدة في أنظمة الطاقة الشمسية الحالية جهودًا إضافية للبحث والتطوير. ومع ذلك، أكد إيكوما أن التقنية التجريبية المستخدمة لإنشاء هذه المواد متقدمة جدًا بالفعل. وبمرور الوقت، أتقن العلماء طريقة تقوم بإدخال الذرات والأيونات والجزيئات في المواد بدقة.
ووفقا لوكالة الطاقة الدولية، في عام 2023، ستشكل الطاقة الشمسية الكهروضوئية وحدها ثلاثة أرباع إضافات القدرات المتجددة على مستوى العالم. وفي عام 2022، زاد توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية بنسبة 26% ليصل إلى ما يقرب من 1300 تيراواط في الساعة. وأظهر هذا أكبر نمو مطلق في التوليد لجميع التقنيات المتجددة في عام 2022، متجاوزًا طاقة الرياح لأول مرة في التاريخ.
بفضل قناة Telegram الخاصة بنا، يمكنك البقاء على اطلاع دائم بما يتم نشره من مقالات السيناريوهات الاقتصادية الجديدة.
المقال مادة جديدة تعتمد على الأبحاث الكمومية تعمل على تحسين كفاءة الألواح الشمسية بنسبة 80٪ تأتي من السيناريوهات الاقتصادية .