نظرًا لأن البلدان في جميع أنحاء العالم تسعى إلى مصادر الطاقة المستدامة وتسعى الولايات المتحدة إلى أن تصبح اقتصادًا خالٍ من الانبعاثات بحلول عام 2050 ، يزداد الطلب على مصادر الطاقة المتجددة مثل الألواح الشمسية.
يمكن أن تشغل الألواح الشمسية مساحة كبيرة وغالبًا ما يكون من الصعب قياسها. أدخل المجال الجديد للخلايا الزراعية ، والذي يركز على الاستخدام المتزامن للأرض لتوليد الطاقة الشمسية والزراعة، على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استبدال الزجاج في الدفيئات بألواح شمسية إلى تشغيل المصابيح وأجهزة التحكم في المياه في الدفيئة أو حتى المزرعة بأكملها. ولكن كيف يمكن للمرء أن يبني الألواح الشمسية التي يمكن أن تمتص الطاقة من ضوء الشمس دون حجب الضوء الذي تحتاجه النباتات؟
قام عالم المواد في كلية سامويلي للهندسة في جامعة كاليفورنيا ، يانغ يانغ وفريقه بتصميم مثل هذا الجهاز، في دراسة نُشرت اليوم في Nature Sustainability، يستكشفون تطبيقًا جديدًا وقابل للتطبيق للخلايا الشمسية لا يتطلب قطعًا كبيرة من الأرض.
طور الفريق استراتيجية لزيادة الخلايا الشمسية العضوية شبه الشفافة . تعتمد هذه الخلايا على المواد الكربونية ، على عكس المواد غير العضوية في الأجهزة التقليدية. قام الباحثون بدمج طبقة من مادة كيميائية طبيعية تسمى L-glutathione ، والتي تُباع كمكمل غذائي مضاد للأكسدة بدون وصفة طبية ، ووجدوا أن الإضافة تطيل عمر الخلايا الشمسية ، وتحسن كفاءتها ، ولا تزال تسمح بوصول ضوء الشمس الكافي نباتات في نموذج أولي لبيت زجاجي بحجم دمية صغيرة.
“المواد العضوية مناسبة بشكل فريد للخلايا الزراعية بسبب انتقائية امتصاص الضوء،” قال يانج ، الذي حصل أيضًا على تعيين في هيئة التدريس في الهندسة الحيوية ويشغل كرسي كارول ولورانس إي تاناس جونيور في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، “العيب الرئيسي الذي حال دون استخدامها على نطاق واسع حتى الآن هو افتقارها إلى الاستقرار.”
الخلايا الشمسية العضوية والتحلل بسرعة أكبر
تميل الخلايا الشمسية العضوية إلى التحلل بسرعة أكبر من نظيراتها غير العضوية لأن ضوء الشمس يمكن أن يتسبب في أكسدة المواد العضوية وبالتالي تفقد الإلكترونات. وجد الباحثون أن الطبقة الإضافية من L-glutathione تمنع المواد الأخرى في الخلية الشمسية من التأكسد ، مما أدى إلى الحفاظ على كفاءة الخلايا العضوية بنسبة تزيد عن 80٪ بعد 1000 ساعة من الاستخدام المتواصل – مقابل أقل من 20٪ بدون الطبقة المضافة.
كما تتبع فريق البحث نمو المحاصيل الشائعة بما في ذلك القمح والفاصوليا والبروكلي في عرضين منفصلين. كان لأحدهما سقف زجاجي شفاف به أجزاء من الخلايا الشمسية غير العضوية ، والآخر له سقف مصنوع بالكامل من خلايا شمسية عضوية شبه شفافة. نمت المحاصيل في الدفيئة ذات السقف الشمسي العضوي أكثر من المحاصيل في الدفيئة العادية. يعتقد العلماء أن السبب في ذلك هو أن طبقة L-glutathione تمنع الأشعة فوق البنفسجية ، والتي يمكن أن تمنع نمو النبات ، والأشعة تحت الحمراء ، والتي يمكن أن تسبب ارتفاع درجة حرارة البيوت الزجاجية ، وتتطلب النباتات بداخلها المزيد من الماء.
إنتاج المحاصيل والطاقة الشمسية معاالنباتات لا تحتاج إلى الكثير من ضوء الشمس
قال ييبين تشاو، المؤلف الرئيسي للبحث وعالم ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس في مختبر يانج: “لم نتوقع أن تتفوق الخلايا الشمسية العضوية في أدائها على صوبة زجاجية تقليدية، “لكننا كررنا التجارب عدة مرات بنفس النتائج وبعد إجراء مزيد من البحث والتحليل، اكتشفنا أن النباتات لا تحتاج إلى الكثير من ضوء الشمس لتنمو كما كنا نعتقد في الأصل، يمكن أن يؤدي التعرض المفرط للشمس إلى المزيد من الضرر من النفع، خاصة في مناخات يكون ضوء الشمس أكثر وفرة “.
في أعقاب هذه النتائج، أنشأ الفريق شركة ناشئة في UCLA تهدف إلى زيادة إنتاج الخلايا الشمسية العضوية للاستخدام الصناعي.
قال الباحثون إنهم يأملون في إنشاء صوبات بيئية صديقة للبيئة تتضمن خلايا شمسية عضوية متاحة تجاريًا في المستقبل.
الطاقة الشمسية في المزارع