ADVERTISEMENT
2 /3 FREE ARTICLES LEFT THIS MONTH Remaining
Chemistry matters. Join us to get the news you need.

If you have an ACS member number, please enter it here so we can link this account to your membership. (optional)

ACS values your privacy. By submitting your information, you are gaining access to C&EN and subscribing to our weekly newsletter. We use the information you provide to make your reading experience better, and we will never sell your data to third party members.

ENJOY UNLIMITED ACCES TO C&EN

Energy Storage

الشحن الفائق للخلايا الشمسية من السيليكون

خدعة مواد جديدة يمكن ان ترفع سقف الكفاءة القصوى للخلايا السيليكونية

by Katherine Bourzac
July 8, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 28

 

09728-scicon60-solar-ar.jpg
Credit: Shutterstock
خلايا شمسية سيليكونية حالية (بالصورة) تصل كفاءتها النظرية الى 29%. خدعة مواد جديدة يمكن ان ترفع ذلك الحد الى 35%.

يمكنك الوصول إلى جميع محتوياتنا باللغة العربية هنا.

اظهر باحثون في معهد ماساشوستس للتقنية (MIT) ان الخلايا الشمسية المكونة من طبقة واحدة من السيليكون يمكن ان تحول ما يصل الى 35% من طاقة ضوء الشمس الى كهرباء نافعة, وهو زيادة في سقف الكفاءة الحالي وهو 29% (Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1339-4). الخدعة, كما يقولون, تكمن بإيجاد المزيج المناسب من المواد والذي يمكنهم من استغلال ظاهرة تم التنبوء بها منذ 40 عاما.

09728-scicon60-tetracene-ar.jpg

ان اشباه الموصلات كالسيليكون ممتازة في تحويل بعض, وليس كل, الاطوال الموجية للضوء الى كهرباء. ان مدى الاطوال الموجية التي يمكن لشبه موصل استخدامها لتوليد الكهرباء يعتمد على خاصية متأصلة للمادة, تسمى فجوة النطاق. عندما تمتص هذه المواد اطوال موجية محملة بطاقة تزيد عن تلك المحددة بهذا المدى, فان الطاقة تضيع على شكل حرارة. ان الخلايا الشمسية يمكن ان تعمل بكفاءة اكبر وتنتج كمية اكبر من الكهرباء اذا تمكن العلماء من توسيع هذا المدى من الاطوال الموجية.

لعمل هذا, توجه باحثون بقيادة مارك بالدو, وهو مهندس كهرباء في جامعة (MIT), الى الاساسيات. عندما يصطدم فوتون بخلية شمسية, فانه يثير زوجا من الشحنات موجبة وسالبة, الكترون و “فجوة”. ان هذه الحزمة من الشحنات هي شبه جسيمية وتسمى اكسيتون (exciton). في السيليكون, تنفصل الاكسيتونات بسرعة عندما تنضم الالكترونات الى التيار. لكن في مواد اخرى, مثل المركب العضوي رباعي الحلقة تيتراسين, فان الاكسيتونات قادرة على عمل حركات اكثر اثارة. من خلال عملية تسمى انشطار الاكسيتونات, فان اكسيتون برقم مغزلي كمي محدد يمكن ان ينشطر لاكسيتونين اثنين بطاقة منخفضة وارقام مغزلية كمية مختلفة. ان طاقة كل اكسيتون ناتج تساوي نصف طاقة الاكسيتون الاصلي.

ان انشطار الاكسيتون في التيتراسين يمكن ان يساعد في توسيع المدى من الاطوال الموجية والتي يمكن لخلية شمسية من السيليكون تحويلها الى كهرباء لان الاكسيتونات الناتجة لها مستويات طاقة متلائمة مع تلك المادة. اذن, يمكن للتتراسيين امتصاص ضوء لا يستطيع السيليكون التعامل معه, فتتم اثارته ومن ثم يمنح الطاقة للسيليكون على شكل اكسيتونات متلائمة معه, فتتم اثارة السيليكون لينتج طاقة لم يكن بالامكان انتاجها قبلا. هذا الاقتران تم اقتراحه لاول مرة عام 1979 من قبل الكيميائي ديفيد ديكستر (J. Lumin., DOI: 10.1016/0022-2313(79)90235-7). يقول بالدو انه في تلك الايام “لم تتواجد التقنية لبناء خلية سليكونية مصممة لهكذا عملية”.

ان مختبر بالدو كان يبحث عن الطريقة الصحيحة منذ عام 2009. ان التيتراسين والسيليكون بحاجة الى وسيط؛ وكان التحدي بايجاد الوسيط المناسب. ان سطح السيليكون عبارة عن غابة من الروابط والتي يجب تغليفها بطبقة حماية للحفاظ على المادة نقية. هذه الحماية, وتدعى طبقة التخميل, لا يمكن الاستغناء عنها. لكن طبقات الحماية هذه تغمل على عرقلة جريان الشحنات بين التيتراسين و السيليكون.

بعد سنين من العمل, وجد فريق معهد MIT ان طبقة من اوكسينيتريد الهافنيوم بسماكة اقل من واحد نانوميترتستطيع حماية سطح السيليكون لكنها تسمح للشحنات بالتخلل النفقي من التيتراسين. لقد اظهرت مجموعة بالدو الان, ان هذه المواد الثلاث يمكن ان تجتمع لتكون خلية شمسية فعالة. يقدر الباحثون ان خلية شمسية تحتوي على التيتراسين يمكن ان تصل الى 35% كحد نظري للكفاءة.

“لا يوجد شيء مماثل في الطاقة الشمسية” يقول بالدو. ان الطريقة التي يشطر بها التيتراسين الاكسيتون الى النصف منتجا اكسيتونين اثنين اكثر ملائمة للخلايا الشمسية السيليكونية- وإمكانية تطبيق هذه الأساسيات في الفيزياء في منتج تجاري حقيقي- هو ما الهم بالدو وجعله منكبا على هذا المشكلة لعشر سنين.

كريستوفر باردين, وهو كيميائي ضوئي من جامعة كاليفورنيا, ريفرسايد, هو أيضا متحمس لنتائج الفريق. يشير باردين الى ان مجموعة بالدو قد بينت سابقا انشطار الاكسيتونات في الخلايا الشمسية العضوية, وهناك اخرون يعملون بها في تقنيات مختلفة صاعدة للطاقة الشمسية, مثل الخلايا الشمسية بالصبغات الحساسة. لكن البحث الأخير هو اول تطبيق على السيليكون, يقول باردين.

حتى الان, فان كفاءة الخلايا الشمسية السيليكونية لا تدعو للتفاخر, يقول بالدو. ان أداء الأجهزة أسوأ من تقنيات السيليكون الموجودة حاليا. ان اكبر تحدي يعود الى ان الاكسيتونات الناشئة من الانشطار بالتيتراسين تتحد مجددا بصورة اسرع من ترحالها الى السيليكون.

لويس كامبوس وهو كيميائي من جامعة كولومبيا يقول ان مجموعته بالاضافة الى اخرين يعملون على التيتراسين ومركبات عضوية أخرى لاطالة عمر الاكسيتونات الناشئة عن الانشطار. ان المقالة البحثية ل بالدو, يقول, “هي ضوء اخضر كبيرللمختصين بالكيمياء العضوية ليقولوا,‘نعم, يجدر بنا البحث في هذا‘“. ان إعادة توحد الاكسيتونات المنشطرة تشكل مشكلة صعبة. “انها تشكل عقبة” يقول كامبوس, “لكنها عقبة علينا تخطيها او التخلل نفقيا منها”.

هذه المقالة تأتيكم بالتعاون بين C&EN , الفرع الأردني الدولي للعلوم الكيميائية من الجمعية الكيميائية الامريكية و منشورات الجمعية الكيميائية الامريكية. القصة الاصلية (باللغة الإنجليزية) يمكن ايجادها هنا.

Proofreading Ahmad Faraj Al-Sabrouti, postgraduate researcher.

X

Article:

This article has been sent to the following recipient:

Leave A Comment

*Required to comment