حتى في الخيال العلمي، لا يمكن أن تتجاوز كفاءة مصادر الطاقة 100%، فهذه هي فيزياء الكون. ولا يخلو الأمر من الخسائر. ويسعى العلماء إلى تقليل هذه الخسائر، وهو ما يزداد صعوبة كلما اقتربوا من الحد النظري. بالنسبة للخلايا الشمسية التقليدية ذات الوصلة p-n، يبلغ الحد الأقصى للكفاءة 33%. لكن فيزياء ضوء الشمس أكثر تعقيدًا. وقد توصل علماء من اليابان إلى حلول مبتكرة. وجدت فرصة تجاوز هذه النظرية بكثير.
طُوِّرت هذه الفكرة من قِبَل باحثين من جامعة كيوشو بالتعاون مع جامعة يوهانس غوتنبرغ في ألمانيا. في الخلية الشمسية التقليدية، يُولِّد فوتون واحد مُمتص إكسيتونًا واحدًا (إلكترونًا وفجوة) في أشباه الموصلات. الفوتون هو كمٌّ واحد من الضوء (أصغر وحدة طاقة ممكنة للإشعاع الكهرومغناطيسي ذي طول موجي مُحدد). لا يُمكنه توليد أكثر من إلكترون واحد. يمتص الإلكترون هذه الطاقة، مما يجعله في حالة إثارة، فينتقل عبر المادة على شكل تيار كهربائي.
تتفاعل الإلكترونات فقط مع الضوء (الفوتونات) ذي طول موجي محدد. فهي لا تمتص كميات الطاقة في نطاقي الإشعاع الأدنى والأعلى. ببساطة، لا توجد مثل هذه المواد في الطبيعة، أو أن العلماء لم يتوصلوا بعد إلى كيفية إنتاجها. في الوقت نفسه، تصطدم هذه الفوتونات "المتسامية" بلوحة شمسية، لكنها لا تُحدث تدفقًا للإلكترونات داخلها؛ بل تتبدد على شكل حرارة. هذا هو المخزون الذي استطاع العلماء استغلاله لتوليد الكهرباء. تحديدًا، تمكنوا من استخدام الفوتونات عالية الطاقة من الجزء الأزرق من الطيف بكفاءة.
تعتمد آلية عمل هذه التقنية على عمليتين رئيسيتين. تخضع الفوتونات عالية الطاقة (الزرقاء) في المادة لعملية انقسام أحادي: حيث ينقسم إكسيتون واحد إلى اثنين بطاقة أقل، ويتم التقاط كل من هذين الإكسيتونين بواسطة "مركب الموليبدينوم" المدمج في الخلية الشمسية مع مادة محددة. وبالتالي، فبدلاً من إلكترون واحد، يُثير الفوتون "الأزرق" إلكترونين في المادة لتوليد التيار. كما يساهم هذا المزيج من المواد في كبح ما يُسمى بـ نقل الطاقة فورستر، الأمر الذي من شأنه في الظروف العادية أن يمنع إثارة عدد معين من الإلكترونات ويقلل من الكفاءة.
أظهرت التجارب نتائج مبهرة، لا سيما مردود كمي يقارب 130% (1,3 إكسيتون لكل فوتون). ويقدر الباحثون أن هذه التقنية قد ترفع الكفاءة النظرية للخلايا الشمسية أحادية الوصلة إلى 35-45%، وهي نسبة أعلى بكثير. حد شوكلي-كويسر (33%) للألواح السيليكونية التقليدية، والأداء الفعلي للوحدات التجارية (20-25%). لا يزال هذا الإنجاز مجرد إثبات للمفهوم، وقد تم تنفيذه في محلول جزيئي، ولكنه يمهد الطريق لاختراق في إنتاج الطاقة الشمسية.
المصدر:
المصدر: 3dnews.ru
