- باحثون هولنديون يكتشفون أن خلايا بيروفسكايت شمسية قائمة على القصدير تُبطئ فقدان الحرارة.
- الدراسة تُظهر أن طاقة الإلكترونات الحرارية يمكن أن تمتد إلى نطاق النانو ثانية، مما يرفع سقف الكفاءة.
- عنق الزجاجة للفونونات الحرارية وتأثير Burstein-Mess يتضافران لإبطاء عملية التبريد.
- المواد القائمة على القصدير تتسم بخلوّها من السمّية وكونها صديقة للبيئة، مما يجعلها ملائمة لتحويل الطاقة الشمسية بكفاءة عالية.
اكتشف باحثون من جامعة Groningen الهولندية أن خلايا بيروفسكايت شمسية قائمة على القصدير قادرة على إبطاء فقدان الحرارة لدى «الإلكترونات الحرارية» عالية الطاقة، وهو ما قد يرفع كفاءة الخلايا الشمسية فوق الحدّ نسبة 33%. فعندما يسقط ضوء الشمس على اللوح الشمسي، تُنشّط الفوتونات حركة الإلكترونات. وتُنتج أكثر الفوتونات طاقةً إلكترونات حرارية مشحونة بما يفوق طاقتها. ومن الناحية النظرية، ينبغي لهذه المصادر عالية الجهد أن تولّد مزيدًا من الكهرباء. غير أن هذه الجسيمات عالية الطاقة لا توجد في الواقع سوى لفترة قصيرة جدًا، إذ تبرد بسرعة خلال واحد من المليون من المليون من الثانية، مُطلقةً طاقتها الزائدة على شكل حرارة مهدورة قبل أن تتمكن من مغادرة مادة الخلية الشمسية.
قال البروفيسور Jan Anton Koster، أستاذ فيزياء أشباه الموصلات والأجهزة الجديدة بجامعة Groningen: «هذا يعني أن الطاقة تتبدّد قبل أن تغادر الإلكترونات الحرارية مادة الخلية الشمسية».
اختراق في إطالة عمر طاقة الإلكترونات الحرارية
تعاون فريق البحث مع البروفيسور Maria Antonietta Loi، أستاذة الفيزياء الضوئية والإلكترونيات الضوئية، لإعداد منصة تجريبية. وباستخدام مادة متخصصة لخلايا بيروفسكايت شمسية قائمة على القصدير، حقّق مختبر Loi إنجازًا اعتبره كثيرون مستحيلًا: إبطاء فقدان الحرارة بمعامل قدره 1,000. وفجأة، استمرت الطاقة الزائدة لمدة في نطاق النانو ثانية، بدلًا من أن تتلاشى في نطاق البيكو ثانية. وسارع المتشككون إلى إبداء شكوكهم، بل إن الباحثين أنفسهم ساورتهم الريبة في بياناتهم.
أقرّ Koster قائلًا: «بدأنا حتى في التشكيك في قياساتنا ourselves». ولحلّ هذا اللغز، بنى Koster وطالب الدكتوراه Tim Faber نماذج محاكاة رقمية تغلغلت في المستوى الكمّي، لتكشف عن آلية مزدوجة ومفاجئة في عملها.
أولًا، يخلق «عنق الزجاجة للفونونات الحرارية» مصيدة حرارية. فبينما تُطلق الإلكترونات حرارتها، ترتفع درجة حرارة البيئة المحاطة بسرعة، إلى حدّ أن الإلكترونات تعود في النهاية إلى امتصاص الحرارة التي فقدتها. ثانيًا، يُحدث «تأثير Burstein-Moss» اختناقًا مروريًا ذريًا. فبسبب امتلاء الحالات منخفضة الطاقة بالإلكترونات المُثارة، تنسدّ قناة الانتقال إلى الأسفل. وتتضافر هاتان الآليتان لإبطاء عملية التبريد، وتطابقت نتائج المحاكاة تمامًا مع التأخّر في نطاق النانو ثانية الذي رُصد في المختبر.
خصائص بيروفسكايت القائمة على القصدير
أظهرت الدراسة، التي استخدمت محاكاة مونت كارلو التجميعية وتقنية التألق الضوئي المُحلّلة زمنيًا، أن تأثير Burstein-Moss المقترن بعنق الزجاجة للفونونات الحرارية يفسر أمد التبريد الطويل جدًا لحاملات الشحنة الحرارية في بيروفسكايت الهاليدات المعدنية القائمة على القصدير. ومن خلال محاكاة حاسوبية متقدمة وقياسات قائمة على الضوء، اكتشف الباحثون أن المواد الشمسية القائمة على القصدير قادرة على الاحتفاظ بالطاقة الزائدة لفترة أطول من المعتاد. ويمكن استخدام هذه المواد المتخصصة في بناء جيل جديد من الخلايا الشمسية فائقة الكفاءة. وتُعدّ بيروفسكايت الهاليدات المعدنية القائمة على القصدير مواد بلورية غير سامة وصديقة للبيئة، وملائمة لتحويل الطاقة الشمسية بكفاءة عالية.
تمتلك هذه أشباه الموصلات المتقدمة بنية شبكية بلورية ثلاثية الأبعاد متخصصة، تتناسق فيها أيونات القصدير مع الهالوجينات ومكونات عضوية أو غير عضوية. وتتميز هذه المادة بانخفاض غير اعتيادي في الكتلة الإلكترونية، مما يسمح للشحنات بالتحرك بسرعة، وبالاحتفاظ بالطاقة الحرارية الزائدة لفترة طويلة. وتجعل قدرة الامتصاص الضوئي الواسع، وحركة الشحنات الكفؤة، والاحتفاظ المُطوّل بالطاقة، من هذه materials مرشحة مثالية للخلايا الشمسية من الجيل التالي. ولا يزال يتعين على الخلايا الشمسية التجارية بعض الوقت لتتمكن من جمع هذه الحرارة المستمرة. وقال فريق البحث: «لا يزال هناك العديد من الأسئلة الأخرى التي تحتاج إلى إجابة، لكن من الناحية النظرية، قد يُتيح هذا الاكتشاف إمكانية إنشاء خلايا شمسية أكثر كفاءة تتجاوز الحدّ النظري نسبة 33%».
وقد نُشرت نتائج هذا البحث في مجلة ACS Energy Letters.
الأثر المحتمل لهذا البحث على تكنولوجيا الطاقة الشمسية
يحمل هذا الاختراق الذي توصل إليه البحث أهمية كبيرة لمستقبل تكنولوجيا الطاقة الشمسية. فمن خلال إطالة مدة بقاء طاقة الإلكترونات الحرارية، قد يتمكن الباحثون من دفع كفاءة الخلايا الشمسية إلى تجاوز الحدود النظرية الحالية، وهو ما سينعكس إيجابًا على تطوير مصادر الطاقة المتجددة. ولا تقتصر مواد بيروفسكايت القائمة على القصدير على خصائصها الصديقة للبيئة، بل يمكنها أيضًا أن توفر كفاءة أعلى في تحويل الطاقة خلال مرحلة التسويق، وهو ما سيعزز انتشارها على نطاق أوسع ويُحفّز مزيدًا من الابتكار التقني.