إعادة النظر في أقدم مادة كهروضوئية في العالم ودورها في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية الداخلية

تم الإبلاغ عن أول الخلايا الكهروضوئية ذات الحالة الصلبة في العالم في عام 1883، وكانت تتكون من السيلينيوم، مما أدى في النهاية إلى تطوير الخلايا الكهروضوئية الحالية، على الرغم من أن فجوة النطاق الواسعة للسيلينيوم كانت محدودة لتطبيقات حصاد ضوء الشمس.

في عملهم الحالي المنشور في Science Advances ، قام Bin Yan وفريق من الباحثين في الكيمياء وتكنولوجيا النانو وعلوم المواد في الصين بإعادة النظر في مفهوم أقدم مادة كهروضوئية في العالم لوصف دورها في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية الداخلية.

يطابق طيف الامتزاز للمادة تمامًا أطياف الانبعاث لمصادر الإضاءة الداخلية الشائعة الاستخدام. استخدم الباحثون وحدات السيلينيوم لإنتاج طاقة خرج تبلغ 232.6 ميكرولط تحت إضاءة الإضاءة الداخلية لتشغيل علامة توطين تعتمد على تحديد الترددات الراديوية.

مجال الخلايا الكهروضوئية

في عام 1873، اكتشف المهندس الكهربائي ويلوبي سميث لأول مرة الموصلية الضوئية للسيلينيوم، وقام تشارلز فريتس ببناء أول خلايا شمسية صلبة بعد ذلك في عام 1993 عن طريق وضع السلينيوم بين رقائق معدنية وطبقة ذهبية رفيعة.

أدت الكفاءة الأولية المنخفضة لتحويل الطاقة لهذه الاكتشافات المبكرة إلى بدء البحث في مجال الخلايا الكهروضوئية وألهمت ظهور الخلايا الشمسية في عام 1954 ، لوضع الأساس للصناعة الكهروضوئية الحديثة.

حتى وقت قريب، قام العلماء بدمج الخلايا الكهروضوئية الداخلية لتحويل الضوء الداخلي إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام للأجهزة اللاسلكية مثل أجهزة الاستشعار والمحركات وأجهزة الاتصال في هذا العمل ، يان وآخرون.

أظهر المزايا الفريدة لاستخدام السيلينيوم في الخلايا الكهروضوئية الداخلية مع فجوة النطاق العريضة المناسبة والاستقرار البيئي الجوهري.

كما طور الفريق أيضًا وحدات السيلينيوم لإنتاج طاقة خرج تبلغ 232.6 ميجاواط ، لتشغيل جهاز لاسلكي عبر الإنترنت للأشياء من أجل التوطين القائم على تحديد الترددات الراديوية.

الخلايا الكهروضوئية الداخلية

أصبح من الممكن الآن تشغيل أجهزة “إنترنت الأشياء” عن طريق حصاد الضوء الداخلي عبر الخلايا الكهروضوئية الداخلية (IPV)، يعد هذا المفهوم مجالًا بحثيًا متنامياً ، حيث يتم استكشاف مجموعة متنوعة من التقنيات بما في ذلك الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة والخلايا الكهروضوئية العضوية وخلايا بيروفسكايت الشمسية من هاليد الرصاص لوظائفها.

عادةً ما يتم تصميم الإضاءة الداخلية ليناسب حساسية العين البشرية، لذلك تختلف عناصرها حسب التصميم عن الخلايا الكهروضوئية الخارجية التقليدية، عندما تم الجمع بين السمات الحالية للسيلينيوم مع عدم سميته واستقراره الممتاز، يان وآخرون، تعتبر المادة مثالية للتطبيقات الكهروضوئية الداخلية.

تحسين التجارب لتحقيق نتائج أفضل

اعتمد فريق البحث تكوينًا فائقًا من الزجاج/ أكسيد القصدير المشبع بالفلور مع أكسيد التيتانيوم/ التيلوريوم/ السيلينيوم والذهب لتطوير الخلايا الشمسية السيلينيوم ذات الأغشية الرقيقة، أثناء العملية، استخدموا أكسيد التيتانيوم الصديق للبيئة لتشكيل الطبقة العازلة ، وصنعوا الأجهزة القائمة على السيلينيوم غير السامة لتسهيل تطبيقات الإضاءة الداخلية.

خلال التجارب، درسوا خلايا السيلينيوم الشمسية تحت إضاءة الشمس القياسية وقياس الأداء الكهروضوئي الداخلي للأجهزة تحت الضوء الداخلي عند 1000 لوكس ، مع مصدر إضاءة LED مشترك لمحاكاة بيئة الإضاءة، أدت النتائج أيضًا إلى تحسين طبقة التيلوريوم لتسهيل شدة الضوء المختلفة بشكل كبير بين الضوء الداخلي وضوء الشمس.

يمكن للإضاءة الداخلية أن تولد نسبيًا عددًا صغيرًا نسبيًا من شركات النقل بسبب شدتها الضعيفة جدًا، لذلك قام الفريق بتحسين الجهاز للحصول على تأثير ضوئي إيجابي لتحسين خلايا السيلينيوم الشمسية في ظروف الإضاءة الداخلية، يان وآخرون، بالإضافة إلى ذلك، تم دمج التيلوريوم في واجهة أكسيد السيلينيوم / التيتانيوم لتوفير رابطة قوية لتخميل السطح.

تطبيقات الأجهزة

يمكن استخدام الأجهزة للتحقيق في مجموعة من ظروف الإضاءة الداخلية المطلوبة عادةً لإضاءة البيئات مثل غرفة المعيشة أو المكتبة أو السوبر ماركت المشرق، تفوقت خلايا السيلينيوم في الأداء على الخلايا القائمة على السيليكون التي تهيمن على السوق والتي تعد حاليًا معيارًا صناعيًا للخلايا الكهروضوئية الداخلية، بالنسبة إلى كل من كفاءة تحويل الطاقة والاستقرار.

على النقيض من ذلك ، أظهرت الخلايا القائمة على السيليكون كفاءة تحويل طاقة أقل من 10 ٪، مع الحد الأدنى نسبيًا من الثبات الضوئي، على حساب هذه الملاحظات، اعتبر الفريق أن الأجهزة القائمة على السيلينيوم هي مرشح بديل أكثر جاذبية، كما درسوا قدرة جهاز السيلينيوم على تشغيل إنترنت للأشياء والأجهزة اللاسلكية .

حصاد الضوء الداخلي

بهذه الطريقة، أعاد بن يان وزملاؤه تفسير السيلينيوم ، وهو أقدم مادة كهروضوئية موجودة مع ظهور الأجهزة الكهروضوئية الداخلية، نظرًا لقدرته الفريدة على توفير فجوة نطاق واسعة مناسبة لحصاد الضوء الداخلي، المادة غير سامة ولها استقرار بيئي جوهري كميزات أساسية.

قام العلماء بتحسين تركيبة المواد لتحقيق كفاءة تحويل للطاقة بنسبة 15٪ ، ومناسبة لـ 1000 لوكس من الإضاءة الداخلية مع خلايا السيلينيوم، تجاوزت هذه النتيجة الكفاءة الحالية لخلايا السيليكون التجارية.

تعمل أجهزة السيلينيوم دون تدهور، حتى بعد 1000 ساعة من الإضاءة الداخلية المستمرة.

تسلط نتائج الدراسة الضوء على نطاق استخدام السيلينيوم في الخلايا الكهروضوئية الداخلية مع إمكانية إضافية لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء كعنصر جذاب في الخلايا الكهروضوئية.