حقق نوع جديد من الألواح الشمسية، كفاءة بنسبة 9% في تحويل المياه إلى هيدروجين وأكسجين- محاكية خطوة حاسمة في عملية التمثيل الضوئي الطبيعي، في الهواء الطلق، يمثل قفزة كبيرة في التكنولوجيا، ما يقرب من 10 مرات أكثر كفاءة من تجارب فصل المياه بالطاقة الشمسية من نوعها.
لكن الفائدة الأكبر هي خفض تكلفة الهيدروجين المستدام، يتم تمكين ذلك عن طريق تقليص أشباه الموصلات، وعادةً ما يكون الجزء الأغلى في الجهاز، يقاوم أشباه الموصلات ذاتية الشفاء الخاصة بالفريق ضوءًا مركّزًا يعادل 160 شمسًا.
حاليًا، ينتج البشر الهيدروجين من ميثان الوقود الأحفوري، باستخدام قدر كبير من الطاقة الأحفورية في هذه العملية، تحصد النباتات ذرات الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس، بينما تحاول البشرية تقليل انبعاثات الكربون، فإن الهيدروجين جذاب كوقود قائم بذاته وكمكون في الوقود المستدام المصنوع من ثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره، وبالمثل، فهو ضروري للعديد من العمليات الكيميائية ، مثل إنتاج الأسمدة.
أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعي
قال زيتيان مي، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة ميتشيجان، والذي قاد الدراسة في دورية Nature ، “نعتقد أن أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعي ستكون أكثر كفاءة بكثير من التمثيل الضوئي الطبيعي، والتي ستوفر طريقًا نحو حيادية الكربون” .
النتيجة المتميزة تأتي من تقدمين، الأول هو القدرة على تركيز ضوء الشمس دون تدمير أشباه الموصلات التي تسخر الضوء.
قال Peng Zhou ، زميل أبحاث في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر والمؤلف الأول للدراسة: “لقد قللنا حجم أشباه الموصلات بأكثر من 100 مرة مقارنة ببعض أشباه الموصلات التي تعمل فقط في شدة الإضاءة المنخفضة”، “الهيدروجين الذي تنتجه تقنيتنا قد يكون رخيصًا للغاية.”
والثاني هو استخدام جزء الطاقة الأعلى من الطيف الشمسي لتقسيم الماء والجزء السفلي من الطيف لتوفير الحرارة التي تشجع التفاعل، يتم تمكين السحر من خلال محفز أشباه الموصلات يحسن نفسه مع الاستخدام، ويقاوم التدهور الذي تتعرض له هذه المحفزات عادةً عندما تسخر ضوء الشمس لتحريك التفاعلات الكيميائية.
حصاد المزيد من الهيدروجين
بالإضافة إلى التعامل مع شدة الإضاءة العالية، يمكن أن تزدهر في درجات الحرارة المرتفعة التي تضر بأشباه موصلات الكمبيوتر، تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع عملية تقسيم الماء، كما تشجع الحرارة الزائدة على بقاء الهيدروجين والأكسجين منفصلين بدلاً من تجديد روابطهما وتشكيل الماء مرة أخرى، كلاهما ساعد الفريق على حصاد المزيد من الهيدروجين.
بالنسبة للتجربة الخارجية ، قام Zhou بإعداد عدسة حول حجم نافذة المنزل لتركيز ضوء الشمس على لوحة تجريبية لا يتجاوز عرضها بضع بوصات، داخل تلك اللوحة، تمت تغطية محفز أشباه الموصلات بطبقة من الماء، مع فقاعات مع غازي الهيدروجين والأكسجين التي انفصلت عنها.
المحفز مصنوع من هياكل نانوية نيتريد الغاليوم الإنديوم، نمت على سطح السيليكون، تلتقط رقاقة أشباه الموصلات الضوء وتحوله إلى إلكترونات وثقوب حرة – وهي فجوات موجبة الشحنة تترك وراءها عندما يتحرر الضوء من الإلكترونات.
تتخلل الهياكل النانوية كرات معدنية نانوية ، قطرها 1/2000 جزء من المليمتر ، والتي تستخدم تلك الإلكترونات والثقوب للمساعدة في توجيه التفاعل.
تحافظ الطبقة العازلة البسيطة الموجودة أعلى اللوحة على درجة حرارة دافئة 75 درجة مئوية، أو 167 درجة فهرنهايت، دافئة بدرجة كافية للمساعدة في تشجيع التفاعل مع كونها باردة بدرجة كافية حتى يعمل محفز أشباه الموصلات بشكل جيد.
النسخة الخارجية من التجربة، مع ضوء الشمس ودرجة الحرارة الأقل موثوقية، حققت كفاءة بنسبة 6.1 % في تحويل الطاقة من الشمس إلى وقود هيدروجين، في الداخل، حقق النظام كفاءة بنسبة 9 %.
تتمثل التحديات التالية التي يعتزم الفريق معالجتها في زيادة تحسين الكفاءة وتحقيق الهيدروجين عالي النقاء الذي يمكن تغذيته مباشرة في خلايا الوقود.
