ابتكار طريقة لزيادة كفاءة الطاقة الشمسية إلى أكثر من الحد المفترض

توفر الشمس للأرض طاقة تفوق ما يمكننا استخدامه، ومع ذلك يضيع معظمها دون استغلال. يعمل العلماء الآن على طرق لالتقاط مزيد من هذه الطاقة وتحويلها إلى كهرباء.

أظهرت دراسة جديدة خطوة متقدمة قد تجعل الطاقة الشمسية أكثر قوة في المستقبل.

ابتكر باحثون من Kyushu University وJohannes Gutenberg University Mainz (JGU) طريقة جديدة لتحسين استخدام الطاقة الشمسية، موضحين أنه من الممكن الحصول على طاقة قابلة للاستخدام أكثر مما كانت الحدود السابقة تسمح به. قد يغير هذا مستقبل تصميم الألواح الشمسية.

نشرت الدراسة في دورية Journal of the American Chemical Society.

سبب هدر الطاقة في الألواح الشمسية

تحول الألواح الشمسية ضوء الشمس إلى كهرباء، لكن العملية ليست فعالة بالكامل. الكثير من الضوء يصل إلى اللوح دون أن يتحول إلى طاقة مفيدة.

يحدث ذلك لأن ضوء الشمس ليس متجانسًا، بل يأتي بطاقة مختلفة، والألواح الشمسية لا تستطيع استخدام جميع هذه الطاقات بشكل كامل.

بعض أنواع الضوء مثل الأشعة تحت الحمراء تحمل طاقة منخفضة جدًا لا تكفي لتحريك الإلكترونات داخل اللوح، فيُهدر هذا الضوء.
وأخرى مثل الأشعة الزرقاء أو فوق البنفسجية تحمل طاقة أكثر مما يلزم، والزيادة تتحول إلى حرارة ضائعة.
لذلك يمكن للألواح استخدام نحو ثلث الضوء فقط، بينما يمر الباقي أو يضيع.

كيف تعمل الألواح عادة

تعمل الألواح عندما تصطدم جزيئات الضوء الصغيرة، الفوتونات، بمادة وتمنح الإلكترونات طاقة، ثم تتحرك الإلكترونات لتُنتج تيارًا كهربائيًا يغذي المنازل والأجهزة والأنظمة الكبيرة.
مع ذلك، تحدث خسائر على طول الطريق، لذا أصبح تحسين الكفاءة هدفًا رئيسيًا لأبحاث الطاقة الشمسية.

طريقة جديدة للحصول على طاقة أكبر

اختبر العلماء تقنية تسمى الانشطار الأحادي الذكي (Singlet Fission)، والتي تسمح لجزيء ضوء واحد بإنتاج أكثر من وحدة طاقة واحدة.

قال يويتشي ساساكي، أستاذ مشارك في قسم الهندسة بجامعة كيوشو: “لدينا استراتيجيتان رئيسيتان لتجاوز هذا الحد. إحداهما تحويل فوتونات الأشعة تحت الحمراء منخفضة الطاقة إلى فوتونات مرئية عالية الطاقة. والأخرى، وهي ما نستكشفه هنا، استخدام SF لإنتاج إثنين من الإثارة (excitons) من فوتون واحد.”

ببساطة، تقسم هذه الطريقة الطاقة إلى جزأين بدلاً من جزء واحد، ما يعني أن شعاع ضوء واحد يمكن أن يولد طاقة أكبر من السابق.

عائق أمام التقدم

حتى مع هذه الفكرة الذكية، واجه العلماء مشكلة كبيرة: غالبًا ما تهرب الطاقة الإضافية قبل استخدامها، بسبب عملية تسمى نقل الطاقة بالرنين فورستر (FRET).
قال ساساكي: “تستطيع الطاقة أن تُستَولى بسهولة قبل التضاعف، لذلك كنا بحاجة إلى مستقبل للطاقة يلتقط الإثارة الثلاثية بعد الانشطار.”

حل ذكي باستخدام الجزيئات

لتجاوز المشكلة، صمم الفريق جزيءً خاصًا باستخدام معدن الموليبدينوم، يعمل كمستقبل للطاقة يلتقط الطاقة الزائدة قبل فقدانها.
يغير هذا الجزيء سلوك الإلكترونات أثناء العملية، مما يسمح للنظام بالاحتفاظ بالطاقة الإضافية بدلاً من فقدانها. وعند اختبار النظام، كانت النتائج مذهلة، حيث وصلت الكفاءة إلى حوالي 130%.
هذا لا يعني إنتاج الطاقة من لا شيء، بل أن فوتونًا واحدًا ساعد على إنتاج طاقة أكثر من المعتاد.

أشار ساساكي إلى مساهمة فريق Heinze من JGU Mainz ودور الطالب الهندسي أدريان ساور الذي قدم مادة ساعدت على نجاح التجربة.

مستقبل هذه التقنية

لا تزال هذه الأبحاث في مراحلها المبكرة، لكن لديها إمكانات كبيرة. يأمل العلماء في تطبيق الطريقة في الألواح الشمسية الفعلية، وليس فقط في المختبر.

إذا نجحت، قد تصبح الألواح الشمسية أكثر كفاءة بشكل كبير، مما يقلل تكاليف الطاقة ويحد من التلوث، قد تساعد الفكرة أيضًا في تحسين تكنولوجيا LED وأنظمة الحوسبة الجديدة.