- يقترح باحثون طريقة جديدة لتقليل فقد الطاقة في الخلايا الشمسية.
- تعزز هذه الطريقة الكفاءة من خلال التحكم في اتجاه انبعاث الضوء.
- تشير الدراسة إلى إمكانية تجاوز حد شوكلي-كوايسر.
- يمكن تطبيق هذا المبدأ على تقنيات كهروضوئية مختلفة، مما يعزز قدرة توليد الكهرباء.
عرض باحثون في معهد علوم الفوتون (ICFO) في برشلونة تجريبيًا طريقة لتقليل فقد الطاقة من خلال التحكم في اتجاه الضوء المنبعث من الخلايا الشمسية، مما يمنح إمكانية تعزيز قدرة الخلية على توليد الكهرباء. وقد نُشرت هذه الطريقة في دورية «Energy & Environmental Science»، وقد تفتح مسارًا لتجاوز الحد النظري التقليدي لكفاءة الخلايا الشمسية أحادية الواجهة. وتتركز الدراسة على آلية فقد تُعرف بخسارة بولتزمان، والتي تحدث عندما تكون المادة القادرة على امتصاص الضوء قادرة أيضًا على انبعاثه.
لماذا يُعد اتجاه الضوء المنبعث بالغ الأهمية؟ تتلقى الخلايا الشمسية ضوء الشمس القادم من اتجاه ضيق نسبيًا. فالشمس تشغل منطقة صغيرة فقط في السماء، مما يعني أن ضوء الشمس الداخل إلى الخلية الشمسية لا يمكنه الوصول إلا ضمن نطاق مخروطي ضيق. ومع ذلك، يمكن للفوتونات المتولدة داخل الخلية الشمسية أن تنبعث عادةً في نطاق أوسع من الاتجاهات. ووفقًا لباحثي معهد علوم الفوتون (ICFO)، فإن هذا الاختلال بين المخروط الضيق للدخول والمخروط الواسع للانبعاث يقلل من القدرة المفيدة التي يمكن استخلاصها من الجهاز.
ضرورة التحكم في اتجاه انبعاث الضوء
يسعى الباحثون إلى تقليل هذا الفقد من خلال جعل الخلايا الشمسية أكثر انتقائية في اتجاه انبعاث الضوء. ويضم الفريق الذي يقوده الأستاذ جوردي مارتوريل من معهد علوم الفوتون (ICFO) وجامعة UPC، كلًا من الدكتور فرانسيسكو بيرنال تيكسا، وكيارا كورتيسي، والدكتورة ماريا كرامارينكو، والدكتور تشوان ليو. وقد استخدموا خلايا شمسية عضوية مقلوبة قائمة على خليط مادة PM6:Y6، وحوّلوها إلى تجويف بصري.
تكبح هذه البنية انبعاث الفوتونات بزوايا كبيرة، مما يضيق بشكل فعال مخروط انبعاث الخلية.
حقق الباحثون هذا التأثير باستخدام قطب أمامي قائم على الفضة وبنية متعددة الطبقات، مع وضع قطب فضي ثانٍ على الجانب الخلفي للخلية. ويوفر القطب الأمامي المعدني انعكاسية عالية عبر نطاق واسع من زوايا الضوء المنبعث. وبالتقان مع القطب الخلفي والطبقات المحيطة به، تشكل تجويفًا بصريًا. ويؤدي هذا التجويف وظيفتين في آن واحد: كبح انبعاث الضوء بزوايا كبيرة، والسماح بكفاءة بدخول ضوء الشمس من المصدر. وبذلك يصبح التوزيع الزاوي للضوء المنبعث أكثر تشابهًا مع التوزيع الزاوي لضوء الشمس الداخل.
تحدي حد الكفاءة التقليدي
أشار الباحثون إلى أن هذه الطريقة لا تتطلب عمليات تصنيع أكثر تعقيدًا من العديد من الاستراتيجيات الأخرى المستكشفة لدفع كفاءة الخلايا الكهروضوئية إلى ما وراء الحدود التقليدية. وتستهدف الدراسة حد شوكلي-كوايسر الشهير، وهو النموذج الذي يصف الحد الأعلى النظري لكفاءة الخلايا الشمسية أحادية الواجهة التقليدية ضمن افتراضات النموذج. ويضبط معهد علوم الفوتون (ICFO) هذا الحد عند 33.16%. ويقول الباحثون إنه إذا أمكن تضييق مخروط الانبعاث بما يكفي لمطابقة مخروط امتصاص ضوء الشمس بشكل أفضل، فيمكن نظريًا تحقيق كفاءة تقترب من 43%.
لا يعني هذا أن الباحثين قد أنتجوا خلية شمسية بكفاءة 43%. فالدراسة تعرض استراتيجية بصرية لتقليل آلية الفقد ذات الصلة في أجهزة الخلايا الكهروضوئية العضوية. وقال المؤلف الرئيسي الدكتور فرانسيسكو بيرنال تيكسا: «تمثل دراستنا تقدمًا مهمًا في مجال تحويل الطاقة الشمسية، لأنها تفتح مسارًا لم يُستكشف قط لتجاوز حد شوكلي-كوايسر».
أكد الباحثون أيضًا أن هذا المبدأ لا يقتصر على تقنية الخلايا الكهروضوئية العضوية. وعلى الرغم من أن التجارب أُجريت باستخدام خلايا شمسية عضوية، إلا أن مارتوريل أوضح أن المفهوم يمكن تطبيقه من حيث المبدأ على تقنيات كهروضوئية مختلفة. وإذا أمكن تحويل هذه الطريقة إلى أجهزة عملية أكثر كفاءة، فقد يصبح التحكم في اتجاه انبعاث الفوتونات أداة إضافية لاستخلاص المزيد من الكهرباء من الكمية نفسها من ضوء الشمس. ووفقًا للباحثين، يمكن لكفاءة كهروضوئية أعلى أن تقلل من الأراضي والمواد اللازمة لإنتاج كمية محددة من الطاقة الشمسية، مع خفض تكلفة كل واط من الكهرباء.
التأثير المحتمل للطريقة الجديدة على تقنية الطاقة الشمسية
تستهدف الطريقة الجديدة التي طرحتها هذه الدراسة مشكلة فقد الطاقة في الخلايا الشمسية، وترفع الكفاءة من خلال تعديل اتجاه انبعاث الضوء، مما يظهر إمكانية تجاوز النظرية التقليدية. لطالما شكل حد شوكلي-كوايسر تحديًا لتقنية الخلايا الكهروضوئية، وقد يوفر تقدم هذه الدراسة أفكارًا جديدة لتصميم الخلايا الشمسية مستقبلًا. فالكفاءة الكهروضوئية الأعلى لا ترفع إنتاج الطاقة فحسب، بل قد تقلل أيضًا من الأراضي والمواد المطلوبة، وتخفض التكاليف، وهو ما يكتسي أهمية كبيرة لنشر الطاقة المتجددة.