نحو خلايا شمسية أفضل: استكشاف ظاهرة شاذة في توليد الكهرباء – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Towards better solar cells: Exploring an anomalous phenomenon of electricity generation
(Shinshu University – بواسطة: جامعة شينشو اليابانية)

في هذه الدراسة، أثبت الباحثون أن سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا (α-In2Se3) يُبدي طريقة غريبة لتوليد الكهرباء من الضوء تسمى التأثير الكهروضوئي الكتلي. وبناءً على نتائجهم التجريبية، يمكن للأجهزة القائمة على سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا تحقيق أداء رائع في الخلايا الشمسية، مما يمهد الطريق لتوليد الطاقة المتجددة بشكل موثوق لتحقيق الحياد الكربوني.

إن تأثير الخلايا الكهروضوئية الكتلي (bulk photovoltaic – BPV) هو ظاهرة غير شائعة قد تمكن بعض المواد من التفوق على وصلات الموجب – السالب^[1] التقليدية المستخدمة في الخلايا الشمسية.

وقد أظهر باحثون من اليابان تجريبياً تأثير الخلايا الكهروضوئية الكتلي في سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا لأول مرة على طول الاتجاه خارج المستوى، مما يثبت صحة التوقعات النظرية السابقة. وتشير كفاءة التحويل الرائعة المسجلة في جهاز سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا  الخاص بهم إلى تقدم واعد لتقنيات الخلايا الشمسية وأجهزة الاستشعار الضوئية في المستقبل.

إن الفهم الراسخ للتأثير الكهروضوئي، والذي يمكن من خلاله تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية مفيدة، يكمن في صميم تصميم الخلايا الشمسية وتطويرها. واليوم، تستخدم معظم الخلايا الشمسية وصلات الموجب – السالب، مستفيدة من التأثير الكهروضوئي الذي يحدث عند واجهة المواد المختلفة.

إن مثل هذه التصاميم مقيدة بحد “شوكلي-كوايسر”^[2] (Shockley-Queisser limit)، الذي يضع حدًا صارمًا لكفاءة التحويل الشمسي القصوى النظرية ويفرض مقايضة بين الجهد والتيار الذي يمكن إنتاجه عبر التأثير الكهروضوئي.

ومع ذلك، فإن بعض المواد البلورية تظهر ظاهرة مثيرة للاهتمام تُعرف باسم تأثير الكهروضوئي الكتلي. وفي المواد التي تفتقر إلى التناظر الداخلي، يمكن للإلكترونات المثارة بالضوء أن تتحرك بشكل متماسك في اتجاه معين بدلاً من العودة إلى مواقعها الأصلية. وينتج عن هذا ما يُعرف باسم “تيارات التحول”، مما يؤدي إلى توليد تأثير الخلايا الكهروضوئية الكتلي.

وعلى الرغم من أن الخبراء توقعوا أن يكون سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا مرشحًا محتملًا لإثبات هذه الظاهرة، إلا أنه لم يتم التحقيق فيها تجريبياً بعد.

ولسد هذه الفجوة المعرفية، شرع فريق بحثي من اليابان بقيادة البروفيسور نوريوكي أوراكامي [الاستاذ المساعد] من جامعة شينشو في استكشاف تأثير الخلايا الكهروضوئية الكتلي في سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا. وقد ُنشرت نتائجهم في مجلة “رسائل الفيزياء العملية” (Applied Physics Letters).

ويقول البروفيسور أوراكامي: “أصبحت هذه المادة مؤخرًا موضوعًا ساخنًا في مجال فيزياء المادة المكثفة، حيث قد تكون قادرة على توليد تيار تحول. دراستنا هي الأولى التي تثبت تجريبياً هذا التوقع”.

أولاً، أنتج الباحثون جهازًا طبقيًا يتكون من طبقة رقيقة من سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا محصورة بين طبقتين شفافتين من الجرافيت.

وعملت طبقات الجرافيت هذه كأقطاب كهربائية وتم توصيلها بمصدر جهد ومقياس أمبير لقياس أي تيارات متولدة عند التعرض للضوء. والجدير بالذكر أن الفريق استخدم هذا الترتيب المحدد للطبقات لأنه ركز على تيارات التحول التي تحدث في اتجاه خارج المستوى في طبقة سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا.

وبعد الاختبار باستخدام فولتات خارجية مختلفة وضوء ساقط بترددات مختلفة، تحقق الباحثون من وجود تيارات تحول في اتجاه خارج المستوى، مما يؤكد التوقعات المذكورة أعلاه. وحدث تأثير الخلايا الكهروضوئية الكتلي عبر مجموعة واسعة من ترددات الضوء.

والأهم من ذلك، قام الباحثون بقياس إمكانات تأثير الخلايا الكهروضوئية الكتلي في سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا  وقارنوه بتلك الموجودة في مواد أخرى.

وقال البروفيسور أوراكامي: “أظهر جهاز سيلينيد الإنديوم في الطور ألفا الخاص بنا كفاءة كمية أعلى بعدة أوامر من حيث الحجم من المواد الكهروضوئية الأخرى، وقابلة للمقارنة بكفاءة المواد ذات الأبعاد المنخفضة مع الاستقطاب الكهربائي المعزز”.

ويضيف: “سيوجه هذا الاكتشاف اختيار المواد لتطوير الأجهزة الكهروضوئية الوظيفية في المستقبل القريب”.

ويأمل فريق البحث أن يكون لجهودهم في نهاية المطاف تأثير إيجابي على البيئة من خلال المساهمة في مجال توليد الطاقة المتجددة. ويختتم البروفيسور أوراكامي: “إن نتائجنا لديها القدرة على تسريع انتشار الخلايا الشمسية، وهي واحدة من التقنيات الرئيسية لحصاد الطاقة البيئية ومسار واعد نحو مجتمع خالٍ من الكربون”.

ونأمل أن تمهد هذه الدراسة الطريق لمزيد من الدراسات لتسخير تأثير الخلايا الكهروضوئية الكتلي وتحسين أداء الخلايا الشمسية بشكل كبير، اضافة الى تحسين تصميم أجهزة الكشف الضوئية الحساسة.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2024-10-solar-cells-exploring-anomalous-phenomenon.html

لمزيد من المعلومات، اقرأ الورقة العلمية لليروفيسور نوريوكي أوراكامي وآخرين: Bulk photovoltaic effect of an alpha-phase indium selenide (α-In₂Se₃) crystal along the out-of-plane direction, Applied Physics Letters (2024). DOI: 10.1063/5.0222926

الهوامش:

[1] وصلة الموجب – السالب (p–n junction) هي مزيج من نوعين من المواد شبه الموصلة، النوع الموجب (p) والنوع السالب (n)، في بلورة واحدة. يحتوي الجانب السالب على إلكترونات تتحرك بحرية، بينما يحتوي الجانب الموجب على فجوات إلكترونية تتحرك بحرية. المصدر: ويكيبيديا

[2] حد شوكلي-كوايسر هو الحد الأعلى النظري للخلايا الشمسية. وتختلف كفاءة الخلية الشمسية القصوى الفعلية باختلاف درجة حرارتها. فعلى سبيل المثال، يبلغ الحد الأقصى لشوكلي-كوايسر لخلية شمسية ذات وصلة واحدة 33.7%. وعلى النقيض من ذلك، تنتج الخلية الشمسية ذات الوصلة الواحدة ذات الفجوة النطاقية 1.5 إلكترون فولت 337 وات/متر مربع فقط من الطاقة الكهربائية، وهو أقل بكثير من حد شوكلي-كوايسر لإشعاع الجسم الأسود الذي يبلغ 6000 كلفن. المصدر: https://www.universitywafer.com/what-is-the-shockley-queisser-limit.html