فريق من كوريا الجنوبية يطور جهازًا عضويًا للطاقة الشمسية يسجل رقمًا قياسيًا جديدًا في كفاءة إنتاج الهيدروجين الأخضر

اكتشف العلماء طريقة لإنتاج الهيدروجين الأخضر النظيف باستخدام الشمس والماء فقط. قام فريق من كوريا الجنوبية بتطوير جهاز يعمل بالطاقة الشمسية قادر على تفكيك جزيئات الماء بشكل مستقل تمامًا. وقد سجلت هذه التقنية رقمًا قياسيًا عالميًا في كفاءة أجهزة التحليل الكهربائي العضوية، دون الحاجة إلى أي مصدر طاقة خارجي. تعتمد طرق إنتاج الهيدروجين التقليدية على الغاز الطبيعي، مما يؤدي إلى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وبالتالي، يوفر الجهاز الذي يعمل بالطاقة الشمسية بديلاً حقيقيًا بدون انبعاثات. ومع ذلك، تواجه هذه الأجهزة تحديات في توليد جهد كافٍ ذاتيًا، وتحتاج إلى دعم الطاقة الخارجية.

قال الباحثون في دراستهم: "يوفر التحليل الكهربائي الضوئي (PEC) طريقًا مباشرًا للحصول على الهيدروجين الشمسي، لكن الأنود الضوئي القائم على أشباه الموصلات العضوية يعاني من قيود في الجهد الضوئي غير الكافي وعدم استقرار الواجهة."

حلقة الوصل في الأنود الضوئي

حاليًا، يسعى فريق البحث في معهد Ulsan الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST) إلى حل هذه الحلقة. صمم الباحثون جهازًا متسلسلًا يجمع بين طبقتين من مواد امتصاص الضوء. في اختبارات المختبر، حقق هذا الخلايا الصغيرة كفاءة تحويل طاقة شمسية إلى هيدروجين بلغت 7.9%، وهو أعلى رقم مسجل للأنود الضوئي القائم على أشباه الموصلات العضوية دون تطبيق جهد كهربائي. يتطلب تفكيك الماء حدًا أدنى من جهد 1.23 فولت. لا تستطيع المواد العضوية الأحادية تحقيق هذا الهدف بشكل مستقر. في السابق، أدى تكديس طبقتين لزيادة الجهد إلى تدهور سريع.

تتميز المواد القياسية للموصلات PEDOT:PSS بارتفاع حموضتها، وسهولة تأثرها بالماء، مما يعني أنها تتعرض للتلف السريع من العناصر المجاورة.

مواد جديدة تعزز أداء الجهاز

استبدل فريق UNIST هذه الموصلات التآكلية بطبقة مختلطة جديدة. قاموا بدمج أكسيد الموليبدينوم مع جزيء عضوي يسمى 2PACz. أكسيد الموليبدينوم ليس حمضيًا ولا يمتص الماء بسهولة، ويشكل طبقة واقية تمنع تسرب المذيبات السائلة خلال عملية الطلاء. في الوقت نفسه، يمكن لجزيئات 2PACz أن تسهل تدفق الشحنات بحرية من خلال تسوية العيوب المجهرية. "حقق الأنود الضوئي المتسلسل النهائي، دون تطبيق جهد كهربائي خارجي، جهد ابتدائي قدره 1.67 فولت مقابل RHE وكفاءة تحويل طاقة شمسية إلى هيدروجين (STH) بلغت 7.9%، وهو أعلى رقم مسجل للأنود الضوئي القائم على أشباه الموصلات العضوية دون جهد خارجي،" أضاف الباحثون.

إمكانات تجارية وتخفيض التكاليف

بعد 10 ساعات من التشغيل المستمر، احتفظ الجهاز بـ 86% من التيار الضوئي الابتدائي، بينما انخفض أداء التصميم التقليدي إلى 36%. لقد تجاوزت هذه التقنية مرحلة المختبر. قام الباحثون بتجميع وحدة خارجية بمساحة 320 سنتيمتر مربع، ونجحوا في إنتاج الهيدروجين تحت أشعة الشمس الطبيعية. لتقليل التكاليف، قلل المهندسون بشكل كبير من استخدام المعادن الثمينة. تم تقليل محتوى البلاتين على القطب الهيدروجيني إلى 0.1% فقط، بينما يعتمد القطب الآخر على محفز اقتصادي من النيكل والحديد والكوبالت. نظرًا لأن الجانبين يعملان في نفس الحمام الكيميائي، فإن هذا الإعداد يتجنب تمامًا استخدام الأغشية التبادلية المكلفة.

تظهر النماذج الاقتصادية أنه إذا تمكن الجهاز من تحقيق حد كفاءته النظري البالغ 16% على نطاق واسع، يمكن أن تنخفض تكلفة إنتاج الهيدروجين إلى 4.26 دولار أمريكي لكل كيلوغرام (حوالي 33 دولار هونغ كونغ). في الوقت نفسه، يعمل الباحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة على دفع إنتاج الوقود الشمسي في اتجاه جديد مثير. تستخدم أجهزتهم المستوحاة من الأوراق ضوء الشمس لاستخراج الهيدروجين مباشرة من مياه البحر، بينما تعادل مادة كيميائية صناعية سامة: الهيدرازين. تظهر هاتان الابتكارتان أن التقنيات الكيميائية المدفوعة بالطاقة الشمسية تتطور بسرعة من مفهوم هش إلى أداة صناعية عملية.

اختراقات في الأجهزة الشمسية العضوية وآفاق المستقبل

تظهر نتائج تطوير الفريق الكوري الجنوبي أن الأجهزة الشمسية القائمة على أشباه الموصلات العضوية حققت تقدمًا ملحوظًا في إنتاج الهيدروجين. لا تحل هذه التقنية فقط المشاكل البيئية في عمليات إنتاج الهيدروجين التقليدية، بل تظهر أيضًا إمكانيات المواد الجديدة في تحسين أداء الأجهزة. مع نضوج هذه التقنية، قد تؤدي هذه الابتكارات إلى خفض تكاليف إنتاج الهيدروجين، مما يعزز من الاستخدام الواسع للطاقة المتجددة، ولها أهمية كبيرة في تحول هيكل الطاقة في المستقبل.