بالبداية لم يتم تصنيع اللوح ولا يوجد أي تصنيع لها حتى نشر هذا المنشور الدراسة ماتزال نظرية أو في المختبر وتحتاج الى الكثير من الدرسة والتحليل. الاكتشاف واعد جداً لكنه ما زال في مرحلة البحث، والتصنيع التجاري لاتوجد معلومات عنه ويحتاج لسنوات إذا نجحت التجارب. وربما تكون فقاعة لجذب التمويل من أصحاب رؤوس الأموال.
لقد توصل العلماء إلى طريقة جديدة لجعل الألواح الشمسية أكثر كفاءة بدرجة كبيرة – تصل إلى ألف مرة أفضل من الطرق الحالية. حقق الفريق في إحدى الجامعات الألمانية هذا الإنجاز من خلال هندسة مواد رقيقة جداً ومتعددة الطبقات تستجيب للضوء بطرق قوية جديدة. في قلب هذا الاختراق يكمن ما يُشبه “شطيرة بلورية”. قام العلماء بتكديس طبقات من تيتانات الباريوم وتيتانات السترونتيوم وتيتانات الكالسيوم في بنية شبكية. هذه المواد، المرتبة بدقة، أنتجت نوعاً جديداً من ماصات الطاقة الشمسية.
الشكل 1: اكتشافهم، المنشور في مجلة Science Advances، قد يمثل نقطة تحول لصناعة الطاقة الشمسية. إذا تم توسيع نطاقه، فقد يسمح لألواح أصغر بتوليد كهرباء أكثر بكثير مما يستطيع السيليكون اليوم. تعزيز التأثير الكهروضوئي في الشبكات الفائقة ثلاثية الألوان. (أ) خصائص التيار-الجهد المقاسة بـ 3.06 إلكترون فولت في درجة حرارة الغرفة. (ب) استجابة التيار-الزمن المكتسبة مع تشغيل وإطفاء الإضاءة. (المصدر: Science Advances)
تعتمد معظم الخلايا الشمسية اليوم على السيليكون، لكن هذه المادة لها حدودها. للحصول على مزيد من الطاقة من ضوء الشمس، بحث الباحثون طويلاً عن بدائل – خاصة تلك التي تعمل دون الوصلات المعقدة التي يحتاجها السيليكون. هنا تأتي أهمية المواد الكهروحديدية مثل تيتانات الباريوم. هذه البلورات تفصل الشحنات الموجبة والسالبة بشكل طبيعي. هذا يمنحها بنية غير متماثلة تنتج الكهرباء عند تعرضها للضوء. على عكس السيليكون، لا تحتاج البلورات الكهروحديدية إلى وصلة pn لتوليد التيار. هذا يجعلها أسهل في التعامل معها وربما أرخص في التصنيع. لكن بمفردها، لا تمتص الكثير من ضوء الشمس. لحل هذه المشكلة، استكشف الفريق في جامعة مارتن لوثر هاله-فيتنبرغ التطبق. اكتشفوا أنه من خلال دمج المواد الكهروحديدية والمواد شبه الكهربائية في نمط متناوب، يمكنهم تعزيز امتصاص الضوء بشكل كبير.
أوضح الدكتور أكاش بهاتناغار، الفيزيائي الذي يقود العمل: “الشيء المهم هنا هو أن المادة الكهروحديدية تتناوب مع مادة شبه كهربائية.” رغم أن المواد شبه الكهربائية لا تملك فصل الشحنات، أشار إلى أنها يمكن أن تتصرف مثل المواد الكهروحديدية في ظروف خاصة – مثل درجات الحرارة المنخفضة أو مع تعديلات طفيفة على بنيتها. وجدت مجموعته أن أفضل النتائج جاءت عندما تم استخدام ليس طبقة شبه كهربائية واحدة، بل طبقتين. قال: “التأثير الكهروضوئي يتعزز بشكل كبير” من خلال هذا الترتيب متعدد الطبقات. وصفت يسول يون، المؤلفة الأولى للدراسة، العملية: “قمنا بدمج تيتانات الباريوم بين تيتانات السترونتيوم وتيتانات الكالسيوم.” باستخدام ليزر عالي القوة، قام الفريق بتبخير هذه البلورات وإعادة ترسيبها في طبقات رقيقة جداً على سطح حامل. في النهاية، بنوا مادة تحتوي على 500 طبقة مكدسة – بسمك حوالي 200 نانومتر فقط.
الشكل 2: التوصيف الهيكلي للشبكات الفائقة. (أ) مجهر إلكتروني نافذ مقطعي مأخوذ من العينة SBC222. (ب) مجهر إلكتروني نافذ عالي الدقة من جزء من المنطقة الممسوحة. يوضح المخطط ترتيب الخلايا الوحدة. خريطة الفضاء المتبادل المكتسبة حول انعكاس (103) في (ج) BTO، (د) SBC555، (هـ) SBC252، و(و) SBC222. تشير النجمة والأسهم الصفراء إلى ركيزة STO وقمم الأقمار الصناعية من SL، على التوالي. (المصدر: جامعة هاله / يسول يون)
عند إجراء القياسات الكهروضوئية، تم تشعيع المادة الجديدة بضوء الليزر. النتيجة فاجأت حتى فريق البحث: مقارنة بتيتانات الباريوم النقية بسمك مماثل، كان تدفق التيار أقوى بما يصل إلى 1000 مرة، رغم أن نسبة تيتانات الباريوم كالمكون الكهروضوئي الرئيسي انخفضت بما يقارب الثلثين. أوضح بهاتناغار: “يبدو أن التفاعل بين طبقات الشبكة يؤدي إلى نفاذية كهربائية أعلى بكثير – بمعنى آخر، الإلكترونات قادرة على التدفق بسهولة أكبر بكثير بسبب الإثارة بواسطة فوتونات الضوء.” أظهرت القياسات أيضاً أن هذا التأثير قوي جداً: بقي ثابتاً تقريباً على مدى فترة ستة أشهر. البحث الإضافي ضروري الآن لتحديد السبب الدقيق للتأثير الكهروضوئي المتميز. بهاتناغار واثق من أن الإمكانات التي أظهرها المفهوم الجديد يمكن استخدامها للتطبيقات العملية في الألواح الشمسية. “البنية الطبقية تُظهر عائداً أعلى في جميع نطاقات درجات الحرارة من المواد الكهروحديدية النقية. البلورات أيضاً أكثر متانة بشكل كبير ولا تتطلب تغليفاً خاصاً.”
الشكل 3: لنهجهم الجديد، دمج الباحثون ثلاث مواد بلورية. (المصدر: جامعة هاله / يسول يون) اكتشاف فريق البحث في جامعة MLU لفت بالفعل انتباه قادة الصناعة. الدكتورة جينيفر روب، أستاذة في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيوريخ والتي لم تشارك في الدراسة، علقت على أهمية النتائج. قالت روب: “هذا اكتشاف مثير جداً يمكن أن يكون له تأثير كبير على تطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة. حقيقة أن المادة الجديدة أيضاً أكثر متانة وأسهل في الإنتاج من الألواح الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون تجعلها أكثر واعدية.”
الطاقة الشمسية هي واحدة من أسرع مصادر الطاقة المتجددة نمواً، ومن المتوقع أن يزداد الطلب على الألواح الشمسية بشكل كبير في السنوات القادمة. وفقاً لوكالة الطاقة الدولية، من المقرر أن تصبح الطاقة الشمسية أكبر مصدر للكهرباء بحلول عام 2050، حيث ستمثل حوالي ثلث توليد الكهرباء العالمي. ومع ذلك، تحتاج كفاءة الألواح الشمسية الحالية إلى تحسين إذا كان هذا سيصبح حقيقة.
اكتشاف فريق البحث في جامعة MLU يمكن أن يلعب دوراً رئيسياً في هذا التحول. من خلال زيادة التأثير الكهروضوئي للبلورات الكهروحديدية، يمكن للمادة الجديدة أن تزيد بشكل كبير من كفاءة الألواح الشمسية. هذا لن يجعل الطاقة الشمسية أكثر فعالية من حيث التكلفة فحسب، بل سيقلل أيضاً من اعتمادنا على الوقود الأحفوري ويساعد في مكافحة تغير المناخ.
الشكل 4: خصائص التيار-الجهد الكهروضوئية المعتمدة على درجة الحرارة. خصائص التيار-الجهد المقاسة بـ 3.06 إلكترون فولت لـ (أ) BTO، (ب) SB55، (ج) BC55 و(د) SBC555. (المصدر: Science Advances)
المؤلفة الرئيسية للدراسة، يسول يون، متحمسة للتأثير المحتمل لنتائج فريقها. قالت يون: “اكتشافنا يفتح طريقاً جديداً لتطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة. من خلال دمج مواد مختلفة بطريقة محددة، يمكننا إنشاء مادة تولد كهرباء أكثر بكثير من الألواح الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون. هذا يمكن أن يحدث ثورة في صناعة الطاقة الشمسية ويساعدنا في الانتقال إلى مستقبل أكثر استدامة.”
الخطوة التالية لفريق البحث في جامعة MLU هي مواصلة التحقيق في خصائص المادة الجديدة وتحسين أدائها.
قال بهاتناغار: “ما زلنا نحاول فهم كيفية تفاعل المواد المختلفة بالضبط لإنتاج مثل هذا التأثير الكهروضوئي القوي. نريد أيضاً أن نرى ما إذا كان بإمكاننا زيادة كفاءة المادة أكثر من خلال تعديل تركيبها أو بنيتها.”
الشكل 5: التأثير الكهروضوئي المعتمد على درجة الحرارة والدورية. (المصدر: Science Advances) الفريق يعمل بالفعل على نموذج أولي جديد لخلية شمسية بناءً على نتائجهم. إذا نجح هذا، فقد يؤدي إلى تطوير ألواح شمسية تجارية قائمة على المادة الجديدة خلال السنوات القليلة القادمة. قالت يون: “نحن متحمسون لإمكانية اكتشافنا في إحداث فرق حقيقي في العالم. إذا تمكنا من إنشاء ألواح شمسية أكثر كفاءة ومتانة وفعالية من حيث التكلفة، فيمكننا المساعدة في تسريع الانتقال إلى مستقبل أكثر استدامة.”نتائج فريق البحث في جامعة MLU ولدت أيضاً اهتماماً بين المستثمرين ورجال الأعمال. عدة شركات ناشئة تستكشف بالفعل طرقاً لتسويق التكنولوجيا الجديدة، وأصحاب رؤوس الأموال المغامرة متحمسون لتمويل المزيد من البحث في هذا المجال.
قال ماركوس إيدرر، الرئيس التنفيذي لشركة ناشئة للطاقة المتجددة مقرها برلين: “هذا مجال واعد جداً بإمكانات هائلة. إذا تمكنا من إنشاء ألواح شمسية أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة، فيمكننا تحويل قطاع الطاقة والمساعدة في معالجة واحد من أكبر التحديات التي تواجه البشرية اليوم.”
الشكل 6: الاستجابة الضوئية الطيفية والتوصيف العازل. (أ) الاستجابة الضوئية الطيفية المقاسة عند 77 كلفن دون أي جهد انحياز. (ب) النفاذية النسبية المقاسة كدالة لدرجة الحرارة بإشارة تيار متردد بسعة 100 ميلي فولت وتردد 100 كيلو هرتز. (المصدر: Science Advances)
اكتشاف فريق البحث في جامعة MLU هو مجرد مثال واحد على البحث الرائد الذي يتم تنفيذه في مجال الطاقة المتجددة. مع مواجهة العالم لتحديات بيئية عاجلة، أصبح من المهم أكثر من أي وقت مضى الاستثمار في تقنيات الطاقة النظيفة التي يمكن أن تساعدنا في الانتقال إلى مستقبل أكثر استدامة. من خلال تسخير قوة الشمس، يمكننا تقليل بصمتنا الكربونية وخلق عالم أكثر ازدهاراً وعدالة للأجيال القادمة.
