تصميم بطارية شمسية مصنوعة من مادة متوافرة غير سامة سهلة التركيب.. امتصاص الضوء وتخزين الطاقة في نفس الوقت

يُحرز جهد تعاوني بين جامعة قرطبة ومعهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة (ألمانيا) تقدمًا في تصميم بطارية شمسية مصنوعة من مادة وفيرة وغير سامة وسهلة التركيب تتكون من نيتريد الكربون ثنائي الأبعاد.

نُشر العمل في مجلة Advanced Energy Materials .

تزدهر الطاقة الشمسية. يعد تحسين قدرة تكنولوجيا الطاقة الشمسية على التقاط أكبر قدر ممكن من الضوء وتحويله إلى طاقة وإتاحته لتلبية احتياجات الطاقة أمرًا أساسيًا في التحول البيئي نحو استخدام أكثر استدامة لمصادر الطاقة.

في العملية بين جمع الضوء بواسطة الخلية الشمسية والاستخدام عند الطلب للطاقة من قبل الأجهزة المنزلية ، على سبيل المثال ، يلعب التخزين دورًا حاسمًا نظرًا لأن توفر الطاقة الشمسية له فترات متقطعة متأصلة.

لتسهيل عملية التخزين هذه والتعامل مع مشاكل مثل التأثير البيئي لاستخراج أو إعادة تدوير أو ندرة بعض المواد اللازمة للبطاريات التقليدية (مثل الليثيوم) ، وُلد مفهوم “البطارية الشمسية”. تجمع البطاريات الشمسية بين الخلايا الشمسية التي تلتقط الضوء مع تخزين طاقتها في جهاز واحد ، مما يسمح باستخدام الطاقة عند الحاجة.

أجرى ألبرتو خيمينيز-سولانو ، الباحث في قسم الفيزياء بجامعة قرطبة ، مع فريق من معهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة (شتوتغارت ، ألمانيا) ، دراسة استكشف فيها خصائص التصميم. بطارية شمسية مصنوعة من مادة تعتمد على نيتريد الكربون ثنائي الأبعاد.

يوضح ألبرتو خيمينيز-سولانو: “في مجموعة الأستاذة بيتينا ف. لوتش ، في معهد ماكس بلانك ، تمكنوا من تصنيع مادة قادرة على امتصاص الضوء وتخزين هذه الطاقة لاستخدامها لاحقًا عند الطلب” ، وخطر ببالنا أن استخدمه لإنشاء بطارية شمسية “.

للقيام بذلك ، كان على الفريق أولاً أن يجد طريقة لإيداع طبقة رقيقة من تلك المادة [ثنائي الأبعاد نيتريد كربون البوتاسيوم ، بولي (هيبتازين إيميد) ، K-PHI] ، مما يخلق بنية مستقرة لبدء تصنيع جهاز كهروضوئي ، بسبب حقيقة أن المادة توجد عادة في شكل مسحوق أو في معلقات مائية للجسيمات النانوية.

لقد سمح لهم هذا العمل السابق الآن بتقديم تصميم البطارية الشمسية هذا ، حيث يمكنهم من خلال الجمع بين المحاكاة الضوئية والتجارب الكهروكيميائية الكهروضوئية ، شرح خصائص الأداء العالي لهذا الجهاز عند التقاط ضوء الشمس وتخزين الطاقة.

يتكون الهيكل المادي للجهاز من “زجاج عالي الشفافية، له طلاء موصل شفاف (للسماح بنقل الحمولة) ، وسلسلة من طبقات المواد شبه الشفافة (بوظائف مختلفة) ، وزجاج موصل آخر الذي يغلق الدائرة “، كما جاء في البحث.

إنه في الأساس نوع من طبقات مختلفة تمت دراسة سمكها لتعظيم مستوى امتصاص الضوء وتخزينه، في هذه الحالة ، يمكن للنظام المقترح امتصاص الضوء من كلا الجانبين لأنه شبه شفاف.

وجد الفريق أن الإضاءة الخلفية لها مزايا معينة ؛ شيء تمكنوا من توضيحه “من خلال إنشاء تصميم نظري أولي وفقًا للقيود التجريبية” نظرًا لأن مشروع العلوم الأساسية هذا لن يظل على الورق فحسب ، بل سيستكشف أيضًا الحدود التجريبية ، ويخرج بتصميمات مجدية لهذه البطاريات الشمسية.

يتميز هذا الجهاز بتعدد استخدامات كبير ، لأنه يجعل من الممكن الحصول على تيار كبير لمرة واحدة (مثل ذلك الذي يحتاجه فلاش التصوير الفوتوغرافي) ، وتيار أصغر ، والذي يمكن أن يستمر بمرور الوقت (مثل ذلك الذي يحتاجه هاتف محمول).

يوضح هذا المشروع أداء هذا الجهاز ، المصنوع من مادة غير ضارة ، وفيرة ، ومستدامة بيئيًا (مستخرجة من اليوريا) والتي يسهل تركيبها. تشمل الخطوات التالية الاستمرار في دراسة تشغيله في مواقف مختلفة خارج المختبر ، وتكييفه مع إمكانيات واحتياجات التصنيع المختلفة.