العلماء الروس يجدون وسيلة فعالة لخفض تكلفة الخلايا الشمسية

07-11-2017

صمم علماء الجامعة الوطنية للأبحاث النووية في روسيا تقنية لإنتاج مادة من نوع جديد مكونة من نقاط كمومية- وهي عبارة عن شبكة كريستال أنصاف نواقل تصل أحجامها إلى بضعة نانومترات. إذ أن نتائج الأبحاث التي نشرت في Journal of Physical Chemistry Letters سوف يساهم في عملية تصميم ألواح شمسية غير مكلفة، قادرة على امتصاص أشعة الشمس ضمن نطاق طيفي واسع.
وبسبب انخفاض مخزون الوقود التقليدي فإن البشرية أصبحت بحاجة ماسة إلى مصادر بديلة للطاقة، ولهذا السبب تلعب الطاقة الشمسية دوراً حاسماً في وقتنا المعاصر. إن أساس الأجهزة الضوئية الموجودة حالياً، والتي تقوم بتحويل طاقة الشمس إلى كهرباء، هي مواد من أنصاف النواقل غير العضوية على أساس السيليكون. هذه المواد لديها بعض أوجه القصور:
أولاً- عامل الكفاءة لخلايا السيليكون محدودة، وهو يشكل حوالي 20%، وذلك لأن هذه العناصر غير قادرة على معالجة الطيف بأكمله من أشعة الشمس، وإن جزء من الأشعة تحت الحمراء يمر عبر الخلايا من دون معالجة.
ثانياً- إن إنتاج خلايا السيليكون الشمسية هي عملية معقدة وبالتالي مكلفة للغاية. ولهذا تجري العديد من الأبحاث في العالم كله حول إمكانية إنتاج مواد جديدة واعدة، وعلى وجه الخصوص بيروفسكيت (مبدأ عملها مازالت تحت الدراسة)، وكذلك أشباه النواقل العضوية والنانو هجينية.
إن البلورات النانونية من أنصاف النواقل (نقاط كمومية) في المواد النانو هجينية، التي تم تصميمها من قبل علماء الجامعة الوطنية للأبحاث النووية مغطاة بروابط حلزونية كما هو مبين على الرسم رقم 1، وهي عبارة عن جزيئات عضوية التي لا تسمح للنقاط الكمومية أن تلتحم مع بعضها البعض. ولهذا السبب فإن النقاط تحافظ على مزاياها الفردية، وتقوم بتشكيل بيئة سميكة تسمح بتمرير التيار الكهربائي. وفي نفس الوقت فإن الناقلية تتمتع بعامل تردد كبير، مثل أنصاف النواقل العضوية حيث لا تكون قفزات الالكترونات بين النقاط الكمومية وإنما بين الجزيئات العضوية.
ووفقاً لتوضيح أحد مؤلفي هذا العمل وهو البروفسور فلاديمير نيكيتنكو من قسم فيزياء البيئة المكثفة في الجامعة الوطنية للأبحاث النووية فإن المقال العلمي الذي تم نشره يبين بأن نقل الشحنة والطاقة إلى نقاط كمومية مكثفة يمكن وصفها بنموذج الالتقاط المتعدد الشكلي البسيط نسبياً. وهذه الحالة تبسط إلى حد كبير مهمة نمذجة النقل النظرية، اللازمة لتحسين خصائص الأجهزة الضوئية على أساس مكثفات النقاط الكمومية.
تعتمد هذه التكنولوجيا على المبدأ الابتكاري التالي: من خلال تغيير حجم النقاط الكمومية، يمكن بسهولة التحكم بخصائص الخلايا الشمسية (على سبيل المثال توسيع طيف الامتصاص). إن عملية إنتاج مكثفات النقاط الكمومية تتم بطريقة بسيطة وغير مكلفة، لكن من أجل الحصول على طلاء بجودة عالية من الضروري اختيار شروط الإنتاج بشكل دقيق وكذلك نوع الجزيئات العضوية التي تشبك النقاط الكمومية بين بعضها البعض. لقد أتقن العلماء في الجامعة الوطنية للأبحاث النووية تقنية استبدال روابط ضمن درجة حرارة معتدلة، وهذا يسمح بتغيير المسافة بين النقاط الكمومية وبالتالي التحكم بكفاءة نقل الطاقة والشحنة.
ويشير الكسندر تشيستياكوف البروفسور في قسم الفيزياء الجزئية ومنظومة النانو في الجامعة الوطنية للأبحاث النووية قائلاً: "يمكن استخدام مواد النانو هجينية للنقاط الكمومية ليس فقط من أجل إنتاج الخلايا الضوئية أو المصابيح، ولكن من أجل إنتاج تصاميم أشباه النواقل الأكثر تعقيداً. على سبيل المثال تلك التي يمكن استخدامها لتصميم جيل جديد من أجهزة الاستشعار الحساسة للغاية.