الشحن الفائق للخلايا الشمسية من السيليكون

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.

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”.