من أجل تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء أو أشكال أخرى من الطاقة بأكبر قدر ممكن من الكفاءة، فإن الخطوة الأولى هي نظام فعال لحصاد الضوء.
من الناحية المثالية، ينبغي أن يكون هذا بانكروماتيك، أي يمتص كامل نطاق الضوء المرئي.
تعتبر هوائيات النباتات والبكتيريا التي تجمع الضوء نموذجًا لذلك. وهي تلتقط نطاقًا واسعًا من الضوء من أجل عملية التمثيل الضوئي، ولكنها معقدة للغاية في البنية وتتطلب العديد من الأصباغ المختلفة لنقل طاقة الضوء الممتص وتركيزه على نقطة مركزية.
• أنظمة حصاد الضوء التي طورها البشر حتى الآن لها أيضًا عيوب:
– على الرغم من أن أشباه الموصلات غير العضوية مثل السيليكون هي بانكروماتية، إلا أنها تمتص الضوء بشكل ضعيف فقط. ومن أجل امتصاص ما يكفي من الطاقة الضوئية، هناك حاجة إلى طبقات سميكة جدًا من السيليكون في نطاق الميكروميتر، مما يجعل الخلايا الشمسية ضخمة وثقيلة نسبيًا.
– الأصباغ العضوية المناسبة للخلايا الشمسية هي أرق بكثير: يبلغ سمك طبقتها حوالي 100 نانومتر فقط، ومع ذلك، فهي بالكاد قادرة على استيعاب نطاق طيفي واسع، وبالتالي فهي ليست فعالة بشكل خاص.
طبقة رقيقة تمتص الكثير من الطاقة الضوئية
يقدم باحثون في جامعة يوليوس ماكسيميليان (JMU) في فورتسبورغ في بافاريا بألمانيا، في مجلة Chem ، نظامًا مبتكرًا لحصاد الضوء يختلف بشكل كبير عن الأنظمة السابقة.
يقول فرانك وورثنر، أستاذ الكيمياء بجامعة جيمس ميريلاند: “يحتوي نظامنا على بنية شريطية مشابهة لتلك الموجودة في أشباه الموصلات غير العضوية، وهذا يعني أنه يمتص الضوء بشكل بانكروماتيكي عبر النطاق المرئي بأكمله، ويستخدم معاملات الامتصاص العالية للأصباغ العضوية ، ونتيجة لذلك، يمكنه امتصاص قدر كبير من الضوء “إن الطاقة في طبقة رقيقة نسبيًا، تشبه أنظمة حصاد الضوء الطبيعي”.
قام فريقه من معهد الكيمياء العضوية/ مركز كيمياء الأنظمة النانوية بتصميم نظام حصاد الضوء في JMU وقاموا بالتحقيق فيه مع مجموعة البروفيسور توبياس بريكسنر من معهد الكيمياء الفيزيائية والنظرية.
أربعة أصباغ في ترتيب مبتكر
وببساطة، يتكون هوائي حصاد الضوء المبتكر من فورتسبورغ من أربع أصباغ مختلفة من الميروسيانين مطوية، وبالتالي مكدسة معًا بشكل وثيق. يتيح الترتيب المتقن للجزيئات نقل الطاقة بسرعة فائقة وفعالة داخل الهوائي.
أطلق الباحثون على النموذج الأولي لنظام حصاد الضوء الجديد اسم URPB، تشير الحروف إلى الأطوال الموجية للضوء التي تمتصها المكونات الصبغية الأربعة للهوائي، U للأشعة فوق البنفسجية، R للأحمر، P للأرجواني، B للأزرق.
ثبت الأداء عن طريق مضان
لقد أثبت الباحثون أن نظامهم الجديد لجمع الضوء يعمل بشكل جيد من خلال قياس ما يسمى بالعائد الكمي الفلوري، يتضمن ذلك قياس مقدار الطاقة التي ينبعث منها النظام، وهذا يسمح باستخلاص استنتاجات حول كمية الطاقة الضوئية التي جمعتها سابقًا.
النتيجة: يقوم النظام بتحويل 38% من الطاقة الضوئية المشععة عبر نطاق طيفي واسع إلى مضان، ومن ناحية أخرى، تدير الأصباغ الأربعة بمفردها أقل من 1% إلى 3% كحد أقصى، وبالتالي فإن التركيبة الصحيحة والترتيب المكاني الماهر لجزيئات الصبغة في الكومة يحدث فرقًا كبيرًا.
