نجح باحثو الفيزياء في جامعة لوند في السويد مؤخرًا في بناء هوائيات صغيرة لجمع الإشعاع الشمسي- أسلاك نانوية – باستخدام ثلاث مواد مختلفة تتناسب بشكل أفضل مع الطيف الشمسي مقارنة بخلايا السيليكون الشمسية الحالية.
نظرًا لأن الأسلاك النانوية خفيفة وتتطلب القليل من المواد لكل وحدة مساحة ، فمن المقرر الآن تركيبها للاختبارات على الأقمار الصناعية التي تعمل بالخلايا الشمسية وحيث تكون الكفاءة، إلى جانب الوزن المنخفض ، العامل الأكثر أهمية، تم إرسال الخلايا الشمسية الجديدة إلى الفضاء قبل أيام قليلة.
وحققت مجموعة الباحثين في الهندسة النانوية في جامعة لوند، الذين يعملون على الخلايا الشمسية، تقدمًا كبيرًا في العام الماضي عندما نجحوا في بناء أسلاك نانوية كهروضوئية بثلاث فجوات نطاقية مختلفة، بعبارة أخرى، يعني أن نفس الأسلاك النانوية يتكون من ثلاث مواد مختلفة تتفاعل مع أجزاء مختلفة من ضوء الشمس.
تم نشر النتائج في Materials Today Energy وبعد ذلك بمزيد من التفصيل في Nano Research .
يقول ماجنوس بورستروم، أستاذ فيزياء الحالة الصلبة ، الذي كتب المقالات مع طالب الدكتوراه آنذاك لوكاس: “كان التحدي الأكبر هو نقل التيار بين المواد. استغرق الأمر أكثر من عشر سنوات، لكنه نجح في النهاية” هراتشوينا، وهناك حوالي عشرة فرق بحثية حول العالم تركز بنشاط على الخلايا الشمسية ذات الأسلاك النانوية.
يقول ماجنوس بورجستروم: “كان التحدي يتمثل في الجمع بين فجوات عصابة مختلفة في الخلايا الشمسية، وبذلك تم فتح هذا الباب أخيرًا”.
بديل للسيليكون في المستقبل
توجد حتى الآن الخلايا الشمسية ذات فجوات النطاق المختلفة، والمعروفة باسم الخلايا الشمسية الترادفية، بشكل أساسي على الأقمار الصناعية وهي موضوع بحث مكثف. الهدف من البحث هو زيادة الكفاءة بشكل كبير، ربما لمضاعفة تلك الموجودة في خلايا السيليكون الشمسية التجارية اليوم (حوالي 20٪).
يقول ماجنوس بورجستروم: “لقد وصلت خلايا السيليكون الشمسية قريبًا إلى الحد الأقصى من حيث الكفاءة، تحول التركيز الآن إلى تطوير الخلايا الشمسية الترادفية بدلاً من ذلك، المتغيرات المثبتة على الأقمار الصناعية مكلفة للغاية بحيث لا يمكن وضعها على السطح”.
الطريقة الأكثر شيوعًا لبناء الخلايا الشمسية الترادفية هي تصنيع مواد مختلفة شبه موصلة فوق بعضها البعض، وهي مواد يمكنها امتصاص أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي.
تجذب الخلايا الشمسية الترادفية القائمة على السيليكون الكثير من الاهتمام وتتضمن وضع أغشية رفيعة وشبه شفافة من مواد أخرى تلتقط الضوء فوق السيليكون.
تقليل تكاليف الإنتاج وبديلاً أكثر استدامة.
يستخدم الباحثون في لوند نهجًا مختلفًا قليلاً. لقد طوروا طريقة لبناء قضبان رفيعة للغاية من مادة شبه موصلة على ركيزة، الميزة هي كمية صغيرة من المواد لكل وحدة مساحة، والتي يمكن أن تقلل من تكاليف الإنتاج وتصبح بديلاً أكثر استدامة.
تتكون القضبان بسماكة نانومتر من ثلاث مواد تحتوي على كميات مختلفة من الإنديوم والزرنيخ والغاليوم والفوسفور، في المختبر، حقق الباحثون حتى الآن كفاءة تصل إلى 16.7٪.
أظهر زميل، يانج تشن، أن الخلايا الشمسية ذات الأسلاك النانوية لديها القدرة على الوصول إلى 47% من الكفاءة باستخدام الهيكل الحالي، يتطلب تحقيق كفاءة أعلى مزيدًا من الفجوات في النطاق.
في الخطوة التالية، سيقوم هو وزملاؤه بتحسين الثنائيات الثلاثية من خلال تحسين تقاطعات النفق التي تربط المواد المختلفة في الهيكل ومحاولة تقليل تأثير سطح الأسلاك النانوية، وهو أمر مهم جدًا على مقياس النانو.
إلى جانب امتصاصها المحسّن للضوء، تتميز الخلايا الشمسية ذات الأسلاك النانوية بمتانتها بقدر ما تستطيع، على سبيل المثال، مقاومة الإشعاع الضار في الفضاء بشكل أفضل من الخلايا الشمسية الترادفية القائمة على الأفلام.
“يمكن تشبيه ورقة الأسلاك النانوية بسرير متناثر جدًا من المسامير، إذا ظهرت بعض البروتونات العدوانية، وهو ما يحدث بين الحين والآخر، فمن المحتمل أن تهبط بين الأسلاك وإذا حدث أنها تخلصت من بعض الأسلاك، فلن يكون الأمر مهمًا للغاية كثيرا، يمكن أن يكون الضرر أسوأ إذا سقطت على طبقة رقيقة عادية”.
اختبار في الفضاء خلال الربيع
أدت هذه المزايا إلى تركيب الخلايا الشمسية ذات الأسلاك النانوية مؤخرًا على قمر صناعي بحثي، والذي تم إرساله إلى الفضاء في الأسبوع الثاني من شهر يناير من قبل شركاء تعاون الباحثين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، Caltech، في الولايات المتحدة.
“يتم التحكم في الكثير من اتصالاتنا الرقمية عن طريق الأقمار الصناعية، والتي بدورها تعمل بالخلايا الشمسية، وتنقل الأقمار الصناعية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، وعمليات الإرسال التلفزيونية، وحركة البيانات، ومكالمات الهاتف المحمول، وبيانات الطقس.”
سيكون القمر الصناعي في المدار خلال الربيع، ومن المتوقع أن يتم تلقي النتائج بشكل مستمر.
يعتقد Magnus Borgström أن الخلايا الشمسية الترادفية ستنتهي أيضًا على الأرض على المدى الطويل، ولكن، على الأقل في البداية، سيتم استخدام الخلايا الشمسية الخالية من السيليكون في تطبيقات متخصصة مثل الملابس والنوافذ والديكور.
