الطاقة الشمسية.. تتضاعف

لا تتجاوز كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية في أفضل حالاتها الثلث، ولكن المواد المطورة حديثا يمكنها أن تغير ذلك، حيث أثبت الباحثون في جامعة بوردو والمختبر الوطني للطاقة المتجددة أن مادة جديدة لديها القدرة على مضاعفة كفاءة الخلايا الشمسية. فقد اكتشف علماء جامعة بوردو والمختبر الوطني للطاقة المتجددة كيف تتحرك الإلكترونات في مادة بلورية جديدة، وهذا الاكتشاف يمكن أن يؤدي إلى مضاعفة كفاءة الخلايا الشمسية. وأظهرت صور المجهر فائق السرعة أن الإلكترونات في هذه المادة قادرة على التحرك أكثر من ألفي نانومتر مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة في صورة حرارة.
إن التركيب البلوري المكون من مواد غير عضوية "اليود والرصاص" ومواد عضوية "ميثيل ــ أمونيوم" يمكنه مضاعفة كفاءة الخلايا الشمسية، وفقا للدراسة الجديدة. ولا تتجاوز كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية في أفضل حالاتها الثلث، وهو الحد المعروف للعلماء باسم "حد شوكلي ــ كويسر". أما المادة الجديدة ذات البنية البلورية التي تحتوي على كل من المواد غير العضوية "اليود والرصاص" والمواد العضوية "ميثيل ــ أمونيوم" فهي تعزز الكفاءة بحيث يمكن استيعاب ثلثي الطاقة من الضوء دون فقدان كثير من الطاقة في صورة حرارة. وبعبارات أقل تقنية يمكن لهذه المادة أن تضاعف كمية الكهرباء المنتجة دون زيادة كبيرة في التكلفة.
وتصل إلى الأرض طاقة شمسية كافية للوفاء بجميع احتياجات الكوكب من الطاقة عدة مرات، ولكن احتباس تلك الطاقة أمر صعب. ومنذ عام 2013 لم تنتج الألواح الشمسية سوى 1 في المائة فقط من الكهرباء في العالم. وتقول لباي هوانج ــ أستاذ الكيمياء المساعد في جامعة بوردو، إن المواد الجديدة التي يطلق عليها اسم "هجين البيروفسكيت" ستوفر خلايا شمسية أرق من الخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية وتتميز بالمرونة ورخص التكلفة وسهولة التصنيع.
وتستخدم الخلايا الشمسية الأكثر شيوعا السيليكون كأشباه موصلات، وهو الذي لا يمكن أن ينقل سوى ثلث الطاقة بسبب فجوة النطاق، وهي مقدار الطاقة اللازمة لتحويل الإلكترون من الحالة المقيدة إلى الحالة الموصلة التي تكون فيها الإلكترونات قادرة على التحرك وإنتاج الكهرباء.
ويمكن أن تحمل الفوتونات الواردة طاقة تفوق طاقة فجوة النطاق، ومن ثم تحمل الإلكترونات طاقة إضافية لفترة قصيرة جدا، بل أقصر مما نستطيع تخيله. وتسمى هذه الإلكترونات "الناقلات الساخنة"، وهي لا توجد في السيليكون إلا لفترة بيكو ثانية واحدة فقط "وهي 10ــ12 ثانية" وتنتقل فقط مسافة أقصاها عشرة نانومترا. وعند هذه النقطة تطلق الإلكترونات الناقلة الساخنة طاقتها في صورة حرارة. ويعد هذا أحد الأسباب الرئيسة لعدم كفاءة الخلايا الشمسية.
وقد طورت هوانج وزملاؤها تقنية جديدة يمكنها تتبع مدى حركة وسرعة الناقلات الساخنة باستخدام مجهر الليزر الماسح. والمسافة التي تحتاج الناقلات الساخنة إلى قطعها هي على الأقل سمك الخلايا الشمسية ــ أو نحو 200 نانومتر ــ وهو ما يمكن لمادة البيروفسكيت الجديدة تحقيقه. أيضا يمكن لهذه الناقلات أن تعيش لمدة 10 بيكو ثانية بما يمثل أضعاف قدرات السيليكون.
ويقول كاي تشو ــ كبير الباحثين في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في جولدن بكولورادو، وأحد المشاركين في البحث: إن هذه عوامل حاسمة لإنشاء خلية شمسية تجارية من الناقلات الساخنة. وأظهرت هذه الدراسة أن الناقلات الساخنة في غشاء رقيق من البولي بروبلوكسيت متعدد الكريستالات يمكنها أن تنتقل لمسافة تماثل أو تزيد على سمك الغشاء اللازم لبناء خلية شمسية فعالة من البيروفسكيت، وهو ما يشير إلى أن احتمالات تطوير الخلايا الشمسية ذات الناقلات الساخنة من البيروفسكيت هي احتمالات قوية.
ومع ذلك يحاول الباحثون قبل تطوير المنتج التجاري استخدام التقنيات نفسها التي تم تطويرها في جامعة بوردو مع استبدال الرصاص المستخدم بمعادن أخرى أقل سمية. وتتمثل الخطوة التالية في إيجاد أو تطوير مواد أو هياكل اتصال مناسبة ذات مستويات طاقة مناسبة لاستخراج تلك الناقلات الساخنة لتوليد الطاقة في الدائرة الخارجية، وهو الأمر الذي قد لا يكون سهلا جدا. وستعتمد الصلاحية المستقبلية للمادة على النجاح في استبدال الرصاص في الهياكل بمعادن أخرى أقل سمية.