نجح علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تحسين كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون باستخدام طريقة انشطار الإكسيتون المفرد. ويمكن لهذه الطريقة أن تزيد من كفاءة الخلايا الشمسية من 18% إلى 35%، مما يضاعف إنتاج الطاقة ويقلل بالتالي من تكاليف تكنولوجيا الطاقة الشمسية.
بات من الضروري تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري وتطوير تقنيات لمستقبل مستدام. تُعدّ الطاقة الشمسية مصدرًا متجددًا للطاقة ، حيث يُحوّل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. تُصنع الخلايا الشمسية في الغالب من السيليكون، الذي يستخدم عملية التحويل الكهروضوئي لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. كما يجري تصميم خلايا ترادفية، تتضمن عادةً خلايا البيروفسكايت، حيث يمكن لكل قسم من أقسام الخلايا الشمسية تسخير طاقة الشمس من طيفها المتنوع، ما يُحسّن كفاءتها. تُعاني الخلايا الشمسية المتوفرة حاليًا من محدودية كفاءتها، التي تتراوح بين 15 و22 بالمئة فقط.
أظهرت دراسة نُشرت في الثالث من يوليو/تموز في مجلة Nature كيف يمكن رفع كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون إلى 35% من خلال تطبيق ظاهرة تُعرف باسم انشطار الإكسيتون الأحادي. في هذه الظاهرة، يُمكن لجسيم ضوئي واحد (فوتون) أن يُولّد زوجين من الإلكترونات والفجوات بدلاً من زوج واحد فقط. وقد لوحظ انشطار الإكسيتون الأحادي في العديد من المواد منذ اكتشافه في سبعينيات القرن الماضي. وهدفت الدراسة الحالية إلى ترجمة هذه الظاهرة، ولأول مرة، إلى خلية شمسية عملية.
نقل الباحثون تأثير انشطار الإكسيتون الأحادي من التتراسين - وهي مادة معروفة بإظهار هذا التأثير - إلى السيليكون البلوري. والتتراسين مادة شبه موصلة عضوية هيدروكربونية . وقد تحقق هذا النقل بوضع طبقة رقيقة إضافية من أوكسي نتريد الهافنيوم (8 أنغستروم) بين طبقة التتراسين الإكسيتونية وخلية السيليكون الشمسية ، ثم ربطهما معًا.
عملت هذه الطبقة الرقيقة من أوكسي نتريد الهافنيوم كجسر، مما أتاح توليد فوتونات عالية الطاقة في طبقة التتراسين، والتي بدورها حفزت إطلاق إلكترونين في خلية السيليكون بدلاً من إلكترونين واحد. أدى هذا التحسيس لخلية السيليكون الشمسية إلى تقليل فقدان الطاقة الحرارية، وزاد من حساسيتها للضوء. تضاعف إنتاج الطاقة من الخلايا الشمسية نتيجة زيادة الطاقة المُولدة من جزئي الطيف الأخضر والأزرق. يمكن لهذا أن يُحسّن كفاءة الخلايا الشمسية لتصل إلى 35%. تختلف هذه التقنية عن الخلايا الشمسية الترادفية، حيث إنها ببساطة تُضيف تيارًا إضافيًا إلى السيليكون دون إضافة خلايا إضافية.
أظهرت الدراسة الحالية أن الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون المنفردة الانشطارية يمكن أن تظهر كفاءات متزايدة وبالتالي تقلل التكلفة الإجمالية لتوليد الطاقة لتكنولوجيا الطاقة الشمسية.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
إينزينجر، م. وآخرون. 2019. تحسيس السيليكون عن طريق انشطار الإكسيتون المفرد في التتراسيني. نيتشر. 571. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1339-4
