تقنية تضاعف الطاقة الضوئية تتجاوز الحد الأقصى لأداء خلايا الطاقة الشمسية

يمكن للأرض أن تستقبل طاقة شمسية هائلة، لكن خلايا الطاقة الشمسية الحالية لا تستطيع التقاط سوى جزء صغير منها، وتظل كفاءة تحويل الطاقة مقيدة على المدى الطويل. تعاقد فريق بحثي من جامعة كيوشو في اليابان وجامعة يوهانس غوتنبرغ في ألمانيا على تطوير مركب معدني متعدد قائم على الموليبدينوم، يُسمّى «مُرسِل قلبٍ مقلوب»، وقد حققوا تكثيرًا للطاقة الضوئية عبر الانشطار بمركبات الحالات المفردة (SF)، بحيث بلغت غلة الكم نحو 130%، متجاوزةً الحدّ التقليدي البالغ 100%. نُشرت الدراسة ذات الصلة في أحدث عدد من مجلة «Journal of the American Chemical Society»، ما يفتح إمكانات جديدة لتطوير خلايا طاقة شمسية عالية الأداء.

إن عملية توليد الطاقة بواسطة خلايا الطاقة الشمسية تشبه سباق تتابع صغير على مستوى الميكروبات. تصطدم الفوتونات الموجودة في ضوء الشمس بالأنصاف الموصلة، فتنتقل الطاقة إلى الإلكترونات، ويُثارها ذلك لتولّد تيارًا كهربائيًا. عادةً، لا يمكن لفوتون واحد داخل شبه موصل أن يثير إلا إلكترونًا واحدًا في أقصى الأحوال لتكوين إكسيتون، كما أن قدرة الفوتونات ليست متساوية. فالفوتونات منخفضة الطاقة من الأشعة تحت الحمراء لا تستطيع إثارة الإلكترونات، بينما الفوتونات عالية الطاقة مثل فوتونات الضوء الأزرق يتبدد جزء من طاقتها الزائدة على شكل حرارة. لذلك، لا تستطيع خلايا الطاقة الشمسية عادةً الاستفادة إلا من نحو 1/3 من ضوء الشمس. يُعرف هذا الحد باسم «حد شُوكلّي—كويزر»، وقد ظلّ يحير العلماء لفترة طويلة.

من خلال عملية SF، يمكن لحالات الإكسيتون المفردة عالية الطاقة أن تنقسم إلى إكسيتونين منخفضي الطاقة من نوع الثلاثي، ما يؤدي نظريًا إلى مضاعفة الطاقة. ومع ذلك، في التطبيقات العملية، فإن الإكسيتونات الناتجة عن عملية التكثير تتبدد بسهولة عبر آلية تُسمّى «F？rster Resonance Energy Transfer» (FRET). ولحل هذه المعضلة، قام الباحثون بدمج مواد SF مع مركّب قائم على الموليبدينوم لقلب اللفّ، من خلال التحكم الدقيق في مستويات الطاقة، لتحقيق التقاط انتقائي للإكسيتونات المُكثّرة، وبالتالي كبح خسائر الطاقة.

تُتيح هذه التقنية لهم لأول مرة تحقيق غلة كم تتجاوز 100% ضمن ظروف المختبر. قام الفريق، في محلول، بقران مادة رباعي فينيل بنزو آنتراسين مع مركّب قائم على الموليبدينوم، لتصل غلة الكم إلى نحو 130%، أي أنه عند امتصاص كل فوتون، يتم إثارة نحو 1.3 مركّب من الموليبدينوم، ما يُظهر قدرة على جمع الطاقة تفوق الحد التقليدي.

في الوقت الحالي، لا تزال هذه الدراسة في مرحلة إثبات المفهوم. يخطط الفريق لدمج النوعين من المواد في الحالة الصلبة لتحقيق نقل طاقة أكثر كفاءة، ولتطبيقها في النهاية على خلايا طاقة شمسية فعلية. علاوة على ذلك، من المتوقع أن تدفع استراتيجية التقنية هذه إلى تطوير الثنائيات الباعثة للضوء والأجهزة الكمية من الجيل التالي، لتفتح أفكارًا جديدة لاستغلال الطاقة الضوئية بكفاءة وتقنيات الطاقة المتجددة. (المراسل: تشانغ جيا شين)

(صحيفة العلوم والتكنولوجيا)