مركب عضوي يرفع كفاءة الخلايا الشمسية

طوال عقود من الأبحاث حول الخلايا الشمسية، اعتبرت إحدى الصيغ حدا مطلقا لكفاءة هذه الخلايا في تحويل أشعة الشمس إلى كهرباء. وتفترض هذه الصيغة، المعروفة باسم حد "شوكلي-كويسيه"، أنه لا يمكن لكفاءة التحويل القصوى أن تتجاوز 34% لتقاطع أشباه الموصلات ببعضها.

وتقول مجلة "ساينس ديلي"، في تقرير نشرته أخيرا، إن فريقا من باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أظهر وجود طريقة لتجاوز ذلك الحد بالسهولة التي تتجاوز بها المقاتلات النفاثة اليوم حاجز الصوت، الذي اعتبر هو الآخر حدا أقصى في مرحلة من المراحل.

ويقول مارك بالدو، وهو أستاذ في الهندسة الكهربائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إن المبدأ الكامن وراء طريقة تجاوز الحد هذه عرف نظريا منذ ستينات القرن الماضي. ولكنه شكل فكرة غامضة نوعا ما لم ينجح أحد في تطبيقها. ونجح فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، للمرة الأولى، في "برهنة مبدأ" هذه الفكرة، التي تعرف باسم انقسام الإكسيتونات الأحادية. (والإكسيتون هو الجزيء المثار بعد امتصاصه للطاقة من وحدة الضوء.)

وفي الخلية الكهروضوئية القياسية، يحرر كل فوتون إلكترونا واحدا بالضبط داخل المادة الكهروضوئية. ويمكن بعدئذ تسخير ذلك الإلكترون المحرر بواسطة الأسلاك ليوفر تيارا كهربائيا.

كفاءة أكبر

ولكن في هذه التقنية الجديدة، يستطيع كل فوتون تحرير إلكترونين اثنين بدلا من إلكترون واحد. وهذا يجعل العملية أكثر كفاءة بكثير: في الخلية التقليدية، تتحول أي طاقة زائدة يحملها الفوتون إلى حرارة، فيما تستخدم الطاقة الزائدة، في النظام الجديد، لإنتاج إلكترونين بدلا من واحد. وفي حين أنه سبق لعلماء آخرين أن "قسموا" طاقة الفوتون، فإنهم لم يفعلوا ذلك باستخدام الأشعة فوق البنفسجية، وهي مكون صغير نسبيا من مكونات أشعة الشمس على سطح الأرض. وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحقيق هذا الإنجاز باستخدام الضوء المرئي، مما يمهد الطريق لتطبيقات عملية للألواح الكهروضوئية الشمسية. وتحقق هذا باستخدام مركب عضوي، يعرف باسم "بنتاسين"، في خلية شمسية عضوية. وفي حين أن قدرة ذلك المركب على إنتاج إكسيتونين اثنين من فوتون واحد عرفت من قبل، فإنه لم يسبق لأحد أن تمكن من إدخاله إلى جهاز كهروضوئي يولد أكثر من إلكترون واحد لكل فوتون.

حدث تاريخي

ويقول بالدو، وهو أيضا مدير مركز "إكسيتونيكس"، الذي ترعاه وزارة الطاقة الأميركية: "لقد كان مشروعنا موجها بالكامل نحو إثبات فعالية عملية التقسيم هذه". ويضيف: "لقد أظهرنا أننا نستطيع اختراق ذلك الحاجز". ويقول دانيال كنغرف، وهو طالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إن القاعدة النظرية لهذا العمل وضعت منذ فترة طويلة، ولكن أحدا لم يتمكن من تطبيقها في نظام حقيقي فعال. ويضيف: "لقد عرف الجميع أن هذا أمر ممكن، ولكنهم كانوا ينتظرون أن يقوم به شخص ما".

أما ريتشارد فريند، وهو أستاذ في الفيزياء بجامعة كامبردج لم يشارك في البحث، فيقول: "إن هذا هو الحدث التاريخي الذي انتظرنا رؤيته جميعا".

وبما أن هذا العمل كان مجرد محاولة أولى لبرهنة المبدأ، فإن الفريق لم يحسن بعد كفاءة النظام في تحويل الطاقة، التي ما زالت تقل عن 2%. ولكن ينبغي لرفع تلك الكفاءة عبر مزيد من التحسين أن يمثل، حسب قول الباحثين، عملية بسيطة. ويقول نيكولاس تومسون، وهو طالب دراسات عليا آخر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "يبدو أنه لا يوجد أي حاجز أساسي".

بدائل ممكنة

وفي حين أن هذا المشروع استخدم مادة معروفة، فإن الفريق يبحث الآن عن مواد جديدة يمكنها تنفيذ الحيلة نفسها بشكل أفضل. ويقول بالدو: "يعمل خبراء هذا المجال على مواد عثروا عليها مصادفة"، ولكن الآن وقد استوعبت المبادئ على نحو أفضل، فقد أصبح بإمكان الباحثين أن يشرعوا باستكشاف البدائل الممكنة بطريقة أكثر منهجية.

ويصف كريستوفر باردين، وهو أستاذ في الكيمياء بجامعة كاليفورنيا لم يشارك في هذا البحث- يصف هذا العمل ب"الهام للغاية"، ويقول إن العملية المستخدمة من قبل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا "تمثل خطوة أولى نحو إدخال عملية ضوئية فيزيائية غريبة (الانقسام) إلى جهاز حقيقي. وسوف يساهم هذا الإنجاز في إقناع العاملين في المجال بأن هذه العملية تملك قدرة حقيقية على تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية العضوية بنسبة 25% أو أكثر ".



قفزة هائلة



فيما تتمتع الألواح الشمسية التجارية الحالية بكفاءة تصل إلى 25% كحد أقصى، فإنه ينبغي لخلية شمسية سيليكونية تسخر انقسام الإكسيتونات الأحادية أن تتيح الوصول إلى كفاءة تتجاوز 30%، وهو ما يمثل قفزة هائلة في مجال يعرف عنه تقدمه التدريجي البطيء. ويمكن أيضا تحسين كفاءة الألواح الشمسية من خلال جمع خلايا شمسية مختلفة معاً، غير أن جمع الخلايا الشمسية باستخدام مواد الخلايا الشمسية التقليدية يكلف كثيراً. وبدلاً من ذلك، فإن التكنولوجيا الجديدة تعد بأن تشكل طلاء غير مكلف للخلايا الشمسية.