دراسة ألمانية تقترح خلايا شمسية من الغرافين دون الحاجة إلى السيليكون

أخبار ar.wedoany.com، في 29 أكتوبر، أعلن مركز هلمهولتز دريسدن-روسندورف (HZDR) الألماني عن دراسة حول التحويل الكهروضوئي في الغرافين، اقترحت استخدام تفاعل مشترك بين مجال مغناطيسي وجهد كهربائي قابل للضبط على الأقطاب الكهربائية لفصل الإلكترونات والثقوب المتولدة عن امتصاص الغرافين للضوء، بما يعزز تطبيق الغرافين في الخلايا الشمسية وأجهزة الاستشعار الضوئية والمكونات الكهروضوئية.

يتكون الغرافين من طبقة أحادية من ذرات الكربون، ويتميز بقدرة عالية على حركة حاملات الشحنة وموصلية كهربائية جيدة، إلا أنه يفتقر إلى فجوة الطاقة التي تمتلكها أشباه الموصلات التقليدية، مما يجعل من الصعب فصل الإلكترونات والثقوب المتولدة عن الإضاءة ونقلها باتجاه محدد، وهو ما يحد من تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. واقترح فريق البحث وضع أقطاب معدنية ضيقة على طبقات عازلة أعلى وأسفل الغرافين، وتطبيق جهد كهربائي لتكوين حاجز جهد قابل للضبط؛ وفي الوقت نفسه تطبيق مجال مغناطيسي عمودي على مستوى الغرافين، بحيث تتحرك الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين، ثم استخدام حاجز الجهد لتوجيه حاملات الشحنة نحو أقطاب مختلفة، لتكوين تيار اتجاهي.

حلل الباحثون من خلال الحسابات النظرية العلاقة بين ارتفاع حاجز الجهد وعرضه والمسافة بين الأقطاب وشدة المجال المغناطيسي. وفيما يتعلق بسيناريو تحويل الأشعة تحت الحمراء، أظهرت الحسابات أنه عند شدة مجال مغناطيسي تبلغ نحو 0.1 تسلا ومسافة بين الأقطاب في حدود الميكرومتر، يمكن تحقيق فصل حاملات الشحنة. ومن خلال تعديل جهد الأقطاب أو تبديل الأقطاب، يمكن أيضاً تغيير مسار حركة حاملات الشحنة، لتتكيف الأجهزة مع الضوء الساقط ذي الطاقات المختلفة. كما اقترح فريق البحث إمكانية استخدام طبقات متعددة من الغرافين متناوبة مع طبقات عازلة شفافة، مع دمج بنية عاكسة لزيادة امتصاص الضوء.

أحد اتجاهات التطبيق المحتملة لهذا الحل هو الاستفادة من طاقة الأشعة تحت الحمراء. فبالمقارنة مع الخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية، يستطيع الغرافين امتصاص بعض فوتونات الأشعة تحت الحمراء التي لا تكفي طاقتها لتوليد أزواج إلكترون-ثقب في السيليكون، لذلك يرى الباحثون أن هذه الآلية قد تُستخدم مستقبلاً في الأجهزة الكهروضوئية للأشعة تحت الحمراء، ويمكن توسيعها لتشمل أجهزة استشعار الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. غير أن التركيز في المرحلة الحالية ينصب على آلية حركة حاملات الشحنة ومعاملاتها النظرية، ولم تُنشر بعد بيانات قياس الكفاءة أو توليد الكهرباء لخلايا شمسية مصنعة بهذا الحل الجديد.