معهد ICFO الإسباني يقلل خسائر بولتزمان، والكفاءة النظرية للخلايا الشمسية تقترب من 43%

أخبار ar.wedoany.com، قام باحثون في المعهد الإسباني لعلوم الفوتونيك (ICFO) بتحويل الخلايا الشمسية العضوية المقلوبة إلى تجويف بصري، مما أدى إلى تضييق زاوية مخروط الانبعاث الضوئي لديها، وتقليل خسائر بولتزمان (pérdida de Boltzmann) تجريبيًا، مما يوفر مسارًا لم يُستكشف من قبل لتجاوز حد شوكلي-كويزر. وقد نُشرت الدراسة ذات الصلة في مجلة Energy & Environmental Science.

تمتص الخلايا الشمسية ضوء الشمس وتحوله إلى طاقة كهربائية، لكن هذه العملية ليست مثالية، إذ تُفقد كمية كبيرة من الطاقة الشمسية في الطريق. يتبدد جزء منها على شكل حرارة، بينما تعبر الفوتونات ذات الطاقة غير الكافية الخلية مباشرة دون إنتاج طاقة كهربائية. ويسعى معظم العلماء إلى تقليل هذه الخسائر قدر الإمكان، غير أن هناك نوعًا آخر مهمًا من الخسائر، وهو خسائر بولتزمان.

تنشأ خسائر بولتزمان لأن المادة التي تمتص الضوء تُصدر الضوء أيضًا. وفي الخلايا الشمسية، يُعد هذا الانبعاث الضوئي جزءًا لا مفر منه من عملية تحويل الطاقة، وتكمن المشكلة في طريقة الانبعاث: فالشمس تبدو صغيرة في السماء، ويصل الضوء إلى الخلية عبر مخروط ضيق للغاية وفي اتجاه محدد بدقة، بينما تُصدر الخلية الشمسية الضوء في جميع الاتجاهات، بحيث يغطي مخروط انبعاثها تقريبًا نصف الكرة بأكمله فوقها مباشرة. وهذا الفرق بين المخروط الضيق للضوء الساقط والمخروط الواسع للضوء المنبعث يؤدي إلى تقليل الشغل المفيد الذي يمكن استخلاصه من الجهاز.

تمكن الدكتور فرانسيسكو بيرنال تيكسكا، وكيارا كورتيزي، والدكتورة ماريا كرامارينكو، والدكتور كوان ليو من معهد ICFO، تحت إشراف البروفيسور جوردي مارتوريل من معهد ICFO وجامعة كتالونيا التقنية (UPC)، من إيجاد طريقة لتقليل خسائر بولتزمان تجريبيًا. استخدم الفريق خلايا شمسية عضوية مقلوبة قائمة على خليط PM6:Y6، وحوّلوا هذه الخلية إلى تجويف بصري، مما أدى إلى تثبيط انبعاث الفوتونات في الاتجاهات ذات الزوايا الكبيرة، وجعل مخروط الانبعاث أضيق.

وقال الدكتور فرانسيسكو بيرنال تيكسكا، المؤلف الأول للورقة البحثية، إن هذه الدراسة تفتح مسارًا لم يُستكشف بالكامل من قبل لتجاوز حد شوكلي-كويزر. ويأخذ هذا الحد من الكفاءة في الاعتبار جميع آليات الخسائر الجوهرية المشمولة في نموذج شوكلي-كويزر، ويبلغ نظريًا 33.16%.

وأضاف البروفيسور جوردي مارتوريل، الباحث الرئيسي في الدراسة، أنه إذا تم تقليص مخروط الانبعاث ليتوافق بشكل أفضل مع مخروط امتصاص ضوء الشمس الساقط — وهو ما أثبتته هذه الدراسة تجريبيًا — فإن الخلايا الشمسية ستكون قادرة من حيث المبدأ على تحقيق كفاءة تقترب من 43%. وأشار أيضًا إلى أنه على الرغم من أن ما عُرض هنا هو تحسين للخلايا الشمسية العضوية، فإن المبدأ الكامن وراءه ليس حكرًا على المواد العضوية، وهو قابل للتطبيق من حيث المبدأ على جميع تقنيات الطاقة الكهروضوئية.

يكمن مفتاح تضييق مخروط الانبعاث في استخدام معدن كقطب أمامي، بحيث ينعكس الضوء المنبعث بزوايا كبيرة بقوة. ويحيط بهذا القطب الفضي بنية متعددة الطبقات، تشكل مع القطب الفضي الموجود على الوجه الخلفي للخلية تجويفًا بصريًا، مما يجمع بين انعكاسية عالية في نطاق واسع من الزوايا ونفاذية عالية في اتجاه ضوء الشمس الساقط، مما يؤدي فعليًا إلى تضييق مخروط الانبعاث.

وشرح بيرنال تيكسكا قائلًا إنه على عكس العديد من الاستراتيجيات التي يجري استكشافها حاليًا لتجاوز حد شوكلي-كويزر، فإن بساطة تصميم الخلية ذات التجويف هذا لا تضيف أي تعقيد إضافي إلى عملية التصنيع.

وعلى العموم، يشير هذا الإطار إلى مسار عام لرفع كفاءة الطاقة الكهروضوئية لتقترب من الحدود النظرية. وقال البروفيسور مارتوريل إن تحقيق كفاءات أعلى أمر بالغ الأهمية، لأنها تترجم مباشرة إلى خفض التكلفة لكل واط، وإلى استخدام أكثر كفاءة للأراضي والمواد اللازمة لنشر الطاقة الشمسية.