تخفيض خسائر الطاقة الشمسية بنسبة 75% باستخدام أشباه الموصلات من ثنائي كبريتيد التيلوريوم في الاختبارات المخبرية

اكتشف الباحثون في جامعة أكسفورد أن مادة ثنائي كبريتيد التيلوريوم يمكن أن تتغلب على أحد القيود الرئيسية في استخدام الطاقة الشمسية. تكمن المشكلة في أن المواد التي تمتص أشعة الشمس بشكل قوي تفقد الشحنات بسرعة كبيرة، مما يمنعها من إنتاج الطاقة بشكل فعال. تتمتع مادة أشباه الموصلات التي حددها الباحثون بتركيب داخلي غير عادي للطاقة، يشبه غرفة انتظار مؤقتة. بشكل محدد، يمكنها الاحتفاظ بالطاقة الملتقطة لفترة أطول، وتقليل خسائر الشحنات بحوالي 75% عند درجة حرارة الغرفة. قالت البروفيسورة لورا هيرز، المؤلفة المشاركة من قسم الفيزياء في جامعة أكسفورد: "تتمثل أحد التحديات المستمرة في تطوير مواد شمسية فعالة في أن الخصائص التي تجعل أشباه الموصلات جيدة في امتصاص أشعة الشمس غالبًا ما تؤدي إلى اختفاء الشحنات الناتجة بسرعة."

تظهر دراستنا أن هذا التوازن ليس حتميًا."

تتمثل التقنية الرئيسية في أن الألواح الشمسية تولد الطاقة عن طريق التقاط الإلكترونات المفرج عنها، مما يمنع هذه الشحنات من إعادة الارتباط مع الثقوب الموجبة الشحنة وفقدانها على شكل حرارة. المواد المصممة لزيادة امتصاص أشعة الشمس تخلق بيئة مزدحمة، مما يؤدي إلى تصادم هذه الشحنات تقريبًا على الفور. هذه إعادة الارتباط السريعة تضع عقبات أمام كفاءة أشباه الموصلات القياسية لجمع الضوء. تساعد أشباه الموصلات المستندة إلى ثنائي كبريتيد التيلوريوم في تغيير هذا الوضع. استخدم فريق أكسفورد تقنية طيفية فورية فائقة السرعة، وهي تقنية تطلق نبضات ليزر تستمر لعدة ميكروثانية، مما يساعد على استكشاف فيلم المادة.

الخصائص الكمية لثنائي كبريتيد التيلوريوم

كانت النتائج التي توصلوا إليها مفاجئة لهم. تتمتع مادة ثنائي كبريتيد التيلوريوم بترتيب كمي نادر يُعرف باسم أشباه الموصلات شبه المباشرة. تدخل الطاقة الضوئية عبر قناة رئيسية عالية الطاقة، حيث يتم امتصاص أشعة الشمس بشكل قوي. تحت هذا المدخل، يظهر على الفور حالة طاقة أقل لالتقاط الشحنات المثارة. كخزان مؤقت، تخزن هذه الحالة الشحنات بأمان، ثم تطلقها لاحقًا. لا تفقد هذه الحالة الشحنات بسهولة، مما يسمح للإلكترونات بالبقاء بأمان في التخزين حتى يحين وقت جمعها. عند درجة حرارة الغرفة، قللت هذه الغرفة الانتظارية المجهرية من خسائر الشحنات بنسبة 75% مقارنة بالمواد التقليدية.

أضافت البروفيسورة هيرز: "من خلال الكشف عن كيفية دمج هيكل إلكتروني غير عادي بين امتصاص الضوء القوي وإعادة الارتباط الأبطأ، حددنا مبدأ تصميم جديد لأشباه الموصلات، مما قد يساعدنا في جمع الطاقة الشمسية بشكل أكثر كفاءة." لم تصبح مادة ثنائي كبريتيد التيلوريوم، غير السامة، متاحة بعد كألواح سقف في السوق. أشار فريق أكسفورد إلى أن هذه الدراسة تثبت آلية فيزيائية أساسية، وليست منتجًا تجاريًا. ومع ذلك، فإن معرفة وجود هذا الاختصار الإلكتروني هو الأهم. يمكن للباحثين الآن مسح قواعد بيانات المواد وتصميم أشباه موصلات مخصصة تتمتع بنفس خصائص "الاختصار".

إمكانات تصميم أشباه الموصلات في المستقبل

قالت البروفيسورة هيرز: "ما يجعل هذا الاكتشاف مثيرًا بشكل خاص هو أننا لا نحسن فقط خصائص أشباه الموصلات الحالية، بل نحدد طريقة جديدة يمكن أن تعمل بها أشباه الموصلات. إن فهم هذه الآلية يوفر لنا خارطة طريق لاكتشاف وتصميم مواد أخرى ذات خصائص مشابهة محتملة."

لا يمكن أن يفتح هذا فقط الألواح الشمسية، بل قد يحقق أيضًا شحنات أطول عمرًا لتحويل الطاقة الشمسية إلى وقود كيميائي. تعتبر مادة ثنائي كبريتيد التيلوريوم، كبديل غني بالأرض وغير سام، ميزة بيئية وتصنيعية، مما يجعلها بديلاً للمواد المحتوية على الرصاص أو الكادميوم. يمكن للباحثين استخدام طرق متاحة مثل معالجة المحاليل منخفضة التكلفة، التبخر الحراري، والترسيب الكيميائي لإنتاج هذه الأفلام بكفاءة. تم نشر هذه الدراسة في 28 أكتوبر في مجلة Nature.