علماء يكشفون خريطة جديدة لتوليد الكهرباء في رقائق شمسية ذرية

تؤكد الكتب المدرسية أن الضوء هو العامل الأساسي في إطلاق الإلكترونات داخل الخلايا الشمسية.

ولكن داخل الرقاقات فائقة الرقة التي لا تتجاوز بضعة ذرات، تواجه الإلكترونات بيئة معقدة من الحرارة والحدود والمواد التي تتحدى قواعد أشباه الموصلات التقليدية.

الآن، وبفضل مينج ليو ورووشو يان من كلية بورنز للهندسة بجامعة كاليفورنيا – ريفرسايد، بات بإمكان العلماء أخيرًا مشاهدة رقصة الإلكترونات الفوضوية هذه في ثلاثة أبعاد.

تقنيتهم الجديدة للتصوير تكشف بدقة مواقع انتقال الإلكترونات، ومدى تأثير الحرارة—not فقط الضوء—في دفعها.

تيارات متنافسة في الرقاقات الشمسية

تعتمد ظاهرة التحويل الكهروضوئي على إطلاق الفوتونات للإلكترونات داخل أشباه الموصلات، لتتحرك هذه الإلكترونات نحو نقاط التماس المعدنية، مولدة تيارًا كهربائيًا.

لكن هناك ظاهرة أخرى لا تقل أهمية، تُعرف باسم “التحويل الحراري الضوئي”، تحدث عندما يؤدي الضوء إلى تسخين حاملي الشحنة، مما يدفعهم نحو المناطق الأكثر برودة بدلًا من الأسلاك القريبة.

في مادة ثاني كبريتيد الموليبدينوم أحادية الطبقة، قد تهيمن هذه الظاهرة الحرارية.

قال ليو: “كنا نعلم بوجود الظاهرتين، لكننا لم نكن قادرين على معرفة مدى مساهمة كل منهما أو كيف تتوزع مكانيًا.”

ونظرًا لأن التيارين يسيران في اتجاهين متعاكسين، يجد المهندسون صعوبة في تحديد الظاهرة السائدة في كل نقطة من الرقاقة.

أين يتشكل التيار الكهربائي فعليًا؟

استخدم فريق ليو مجهرًا خاصًا يركز شعاع ليزر عبر رأس دقيقة، يضيق الحزمة إلى بضعة نانومترات فقط.

وبتحريك هذا الطرف على سطح رقاقة فائق الرقة مكونة من معدن ومادة حساسة للضوء، تمكن الباحثون من رصد مواقع توليد الكهرباء.

من خلال تحريك الطرف عموديًا وتحليل تغير الإشارات، أمكنهم فصل نوعين مختلفين من التيار. التغيرات الحادة ارتبطت بتأثير التحويل الكهروضوئي، بينما جاءت الإشارات الأبطأ والأكثر استقرارًا من الحركة المدفوعة بالحرارة.

أظهرت الخريطة النهائية خطًا ضيقًا من التيار الكهروضوئي عند حافة التقاء المعدن والمادة شبه الموصلة، بينما امتد التيار الحراري لمساحة أوسع بكثير مما كان يُعتقد.

طبقة رقيقة تعيد توجيه حرارة الشمس

لاختبار إمكانية التحكم في تدفق الحرارة، أضاف الفريق طبقة رقيقة جدًا من “نتريد البورون السداسي”، ساعدت في توزيع الحرارة أفقيًا ومنعت تراكمها في نقطة واحدة.

هذا التدفق الحراري السلس تطابق مع المناطق الحساسة للحرارة، ما أدى إلى مضاعفة التيار الناتج عن التحويل الحراري الضوئي، رغم انخفاض الارتفاع العام في درجة الحرارة. أما النصف غير المغطى، فظل يعاني من نقطة ساخنة ضيقة وإشارة ضعيفة.

ونظرًا لأن طبقة نتريد البورون لا تتعدى بضعة ذرات، فإنها لا تؤثر على الحقل الكهربائي، ما يشير إلى أن التحسين جاء من “إعادة توجيه حرارية” بحتة، وهي وسيلة تصميمية مهملة في الخلايا الشمسية التقليدية.

قال ليو: “الفكرة بأن بإمكاننا ضبط أداء الكاشف الضوئي عبر تدفق الحرارة مثيرة للغاية”. بفضل هذا المجهر، أصبح بإمكان المصممين الآن رؤية تأثير كل طبقة جديدة مضافة.

الحرارة تنضم إلى أدوات الطاقة الشمسية

يمنح هذا الكشف الباحثين فرصة نادرة لإعادة التفكير في تصميم الدوائر الكهروضوئية، من خلال مطابقة خصائص المواد مع التأثيرات المرغوبة، وزيادة حساسية الكاشفات أو تقليل الهدر في أنظمة توليد الطاقة.

على سبيل المثال، يمكن لمهندسي الكاميرات تحت الحمراء أو المجسات الطبية تحسين التيار الحراري بإضافة مواد تساعد في توزيع الحرارة. بينما قد يفضل مصممو الأجهزة الكمومية إبقاء الحرارة مركزة لتحقيق نتائج أكثر دقة.

طاقة شمسية أفضل من خلال خرائط الحرارة

تعتمد الهواتف الذكية على كواشف ضوئية نانوية لتحويل نبضات الليزر في الألياف البصرية إلى بيانات. ومع تقلص القنوات، تصبح الحرارة الناتجة عن الضوء الممتص أصعب في التبديد، مما يزيد أهمية موازنة القوى الضوئية والحرارية.

في المقابل، يسعى باحثو الطاقة الشمسية لتطوير ألواح هجينة تجمع بين الضوء والحرارة. وقد تساعد خرائط التيار في تحديد أفضل تصميمات الخلايا.

يمكن كذلك استخدام المواد الرقيقة لتصنيع حساسات مرنة وشفافة لأجهزة مثل متتبعات الصحة أو السيارات ذاتية القيادة.

وأخيرًا، يطرح هذا البحث أسئلة علمية أساسية: لماذا تمتد المناطق المستنزفة في المواد ثنائية الأبعاد إلى هذا الحد؟ وكيف يرتبط ذلك بكثافة حاملي الشحنة؟

الإجابات قد تحسن نماذج الأجهزة الحرارية الكمومية أو تقود إلى خوارزميات أكثر ذكاءً لإدارة الحرارة في مواد مثل البيروفسكايت.