5 ألواح شمسية غير عادية للمستقبل

اليوم الألواح الشمسية السيليكون - بعيدًا عن النهاية على طريق الحد من طاقة ضوء الشمس وتحويلها إلى طاقة كهربائية مفيدة. لا يزال العلماء يقومون بالعديد من الأعمال ، وسنتناول في هذه المقالة خمسة حلول غير عادية يقوم بعض الباحثين المعاصرين بتطويرها.

تم بناء المختبر القومي الأمريكي للطاقة المتجددة (NREL) بطارية شمسية تعتمد على بلورات أشباه الموصلات ، لا تتجاوز أحجامها عدة نانومتر، وهذه هي النقاط الكم يسمى. العينة بالفعل بطلة من حيث كفاءة الكم الخارجية والداخلية ، والتي بلغت 114 ٪ و 130 ٪ على التوالي.

توضح هذه الخصائص نسبة عدد أزواج ثقب الإلكترون المتولدة إلى عدد الفوتونات المتواجدة في العينة (كفاءة الكم الخارجية) ونسبة عدد الإلكترونات المولدة إلى عدد الفوتونات الممتصة (كفاءة الكم الداخلية) لتردد معين.

كفاءة الكم الخارجية أقل من الداخلية ، حيث لا تشترك جميع الفوتونات الممتصة في التوليد ، ويتم عكس بعض الفوتونات الموجودة على اللوحة.

تتكون العينة من الأجزاء التالية: زجاج مطلي بطبقة مضادة للانعكاس ، وطبقة من موصل شفاف ، ثم طبقات متراكبة من أكسيد الزنك ونقاط الكم من سيلينيد الرصاص ، ثم إيثانيديثول وهيدرازين ، وطبقة رقيقة من الذهب مثل الإلكترود العلوي.

تبلغ الكفاءة الإجمالية لهذه الخلية حوالي 4.5٪ ، ولكن هذا يكفي لتحقيق الكفاءة الكمية العالية التي تم الحصول عليها تجريبياً لهذه المجموعة من المواد ، وهذا يعني التحسين والتحسين في المستقبل.

لم تظهر أي خلية شمسية واحدة كفاءة كمية خارجية تتجاوز 100٪ ، في حين يكمن تفرد تطور NREL في حقيقة أن كل فوتون يسقط على البطارية يخلق أكثر من زوج واحد من ثقب الإلكترون عند الخرج.

كان سبب النجاح هو توليد العديد من الإكسيتونات (MEG) ، وهو تأثير تم استخدامه لأول مرة لإنشاء بطارية شمسية كاملة القدرة على توليد الكهرباء. ترتبط شدة التأثير بمعلمات المادة ، مع فجوة الشريط في أشباه الموصلات ، وكذلك مع طاقة الفوتون الساقط.

يعد حجم البلورة أمرًا بالغ الأهمية ، نظرًا لأنه ضمن حجم صغير تقلل النقاط الكمومية من ناقلات الشحن ويمكنها جمع الطاقة الزائدة ، وإلا ستضيع هذه الطاقة ببساطة في شكل حرارة.

يعتقد المختبر أن العناصر المستندة إلى تأثير MEG هي مرشحات جديرة جدًا بلقب جيل جديد من الألواح الشمسية.

اقترح براشانت كامات من جامعة نوتردام طريقة أخرى غير عادية لإنشاء الخلايا الشمسية. طورت مجموعته الطلاء على أساس النقاط الكمومية من ثاني أكسيد التيتانيوم المطلي بكبريتيد الكادميوم وسيلينييد الكادميوم في شكل خليط من الماء والكحول.

تم وضع العجينة على طبق زجاجي بطبقة موصلة ، ثم تم إطلاقها ، وكانت النتيجة البطارية الضوئية. الركيزة المحولة إلى لوحة فلطائية ضوئية تحتاج فقط إلى قطب كهربائي من الأعلى ، ومن الممكن الحصول على تيار كهربائي عن طريق وضعه في الشمس.

يعتقد العلماء أنه في المستقبل سيكون من الممكن إنشاء دهان للسيارات والمنازل ، وبالتالي تحويل ، على سبيل المثال ، تحويل سقف المنزل أو جسم السيارة المرسوم بهذا الطلاء الخاص إلى ألواح شمسية. هذا هو الهدف الرئيسي للباحثين.

على الرغم من أن الكفاءة ليست عالية ، إلا أن 1٪ فقط ، أي أقل بنسبة 15 مرة من ألواح السيليكون التقليدية ، يمكن إنتاج الطلاء الشمسي بكميات كبيرة وبتكلفة زهيدة للغاية.وهكذا ، يمكن تلبية احتياجات الطاقة في المستقبل ، كما يقول الكيميائيون من مجموعة كامات ، الذين يطلقون على ذريتهم «صن للتصديق»، والذي يترجم إلى "احتمال الشمسية".

التالي غير عادي طريقة تحويل الطاقة الشمسية عرض في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. إنشاء أندرياس ميرشين وزملاؤه البطاريات التجريبية القائمة على مجموعة من الجزيئات البيولوجية القادرة على "جمع" الضوء.

تم اقتراح نظام الصور الضوئي PS-1 ، الذي تم استخراجه من البكتيريا الزرقاء الحرارية ، من قبل عالم الأحياء الجزيئي شوجوان تشانغ والعديد من الأشخاص الذين يشبهونه في التفكير قبل 8 سنوات من بدء التجارب الحالية ، أندرياس ميرشين.

لقد تحولت كفاءة الأنظمة إلى حوالي 0.1٪ فقط ، لكن هذه بالفعل خطوة مهمة على طريق التعريف الجماعي في الحياة اليومية ، لأن تكاليف إنشاء مثل هذه الأجهزة منخفضة للغاية ، وبصورة عامة يمكن للمالكي البيولوجي أن ينشئوا بطارياتهم الخاصة باستخدام مجموعة من المواد الكيميائية وكومة من العشب المقطوع حديثًا . وفي الوقت نفسه ، ستزيد عدد التحسينات من الكفاءة إلى 1-2٪ ، أي إلى مستوى قابلة للحياة تجاريا.

لا يمكن للخلايا المشابهة سابقًا ذات الأنظمة الضوئية أن تعمل إلا بشكل معقول تحت ضوء الليزر المركّز بدقة على الخلية ، وبعد ذلك فقط في نطاق ضيق الطول الموجي. بالإضافة إلى ذلك ، كانت هناك حاجة للمواد الكيميائية باهظة الثمن وظروف المختبر.

مشكلة أخرى هي أن المجمعات الجزيئية المستخرجة من النباتات لا يمكن أن توجد لفترة طويلة. الآن ، قام فريق المعهد بتطوير مجموعة من الببتيدات النشطة السطح التي تغلف النظام وتحتفظ به لفترة طويلة.

من خلال زيادة كفاءة جمع الضوء ، قام الفريق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بحل مشكلة حماية الأنظمة الضوئية من الأشعة فوق البنفسجية ، والتي سبق أن أضرت بالنظام الضوئي.

لم يتم زرع PS-1 الآن على ركيزة ناعمة ، ولكن على سطح به مساحة كبيرة جدًا ، كانت أنابيب ثاني أكسيد التيتانيوم بسمك 3.8 ميكرون مع مسام تبلغ 60 نانومتر ، وقضبان أكسيد الزنك الكثيفة عدة ميكرومترات عالية وعدة مئات من النانومتر .

مكّنت هذه المتغيرات من الأنود الضوئي من زيادة عدد جزيئات الكلوروفيل تحت الضوء ، وحمت مجمعات PS-1 من الأشعة فوق البنفسجية ، حيث أن كلا المادتين تمتصهما جيدًا. بالإضافة إلى ذلك ، تلعب أنابيب التيتانيوم وقضبان الزنك دور الإطار وتعمل بدور الناقلات الإلكترونية ، بينما تقوم PS-1 بجمع الضوء واستيعابه وفصل الشحنات ، كما يحدث في الخلايا الحية.

أعطت خلية مكشوفة للشمس جهدًا قدره 0.5 فولت مع قدرة محددة تبلغ 81 ميكرو واط لكل سنتيمتر مربع وكثافة ضوئية تبلغ 362 ميكروليتر لكل سنتيمتر مربع ، وهو أعلى 10 أضعاف من أي نظام بيوفولتائي آخر كان معروفًا مسبقًا يعتمد على أنظمة ضوئية طبيعية.

الآن دعنا نتحدث عن الخلايا الشمسية القائمة على البوليمر العضوية. إذا قاموا بإنتاج كميات كبيرة ، فسيكونون أرخص بكثير من منافسي السيليكون ، على الرغم من أنهم حققوا بالفعل كفاءة بنسبة 10.9 ٪. جنبا إلى جنب بوليمر البطارية الشمسية، التي أنشأها فريق من العلماء من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA) ، لها عدة طبقات ، كل منها تعمل مع جزءها الخاص من الطيف.

إن الجمع الناجح بين المواد المختلفة التي لا تتداخل مع بعضها البعض عند العمل معًا هو النقطة الأكثر أهمية. لهذا السبب ، قام المؤلفون بتطوير بوليمرات مترابطة بشكل خاص مع وجود فجوة نطاق منخفضة.

في عام 2011 ، تمكن العلماء من الحصول على مثل هذه الخلايا البوليمرية أحادية الطبقة بكفاءة 6 ٪ ، في حين أظهرت الخلية الترادفية كفاءة قدرها 8.62 ٪. بالعمل أكثر من ذلك ، شرع الباحثون في توسيع نطاق طيف العمل في منطقة الأشعة تحت الحمراء ، واضطروا إلى إضافة البوليمر لشركة سوميتومو كيميكال اليابانية ، بفضل تمكنوا من تحقيق كفاءة 10.9 ٪.

يتكون هذا التصميم الأكثر نجاحًا من خلية أمامية مصنوعة من مادة ذات فجوة شريط كبيرة وخلية خلفية بها فجوة ضيقة النطاق.يجادل مؤلفو التطوير أن إنشاء مثل هذا المحول ، بما في ذلك تكلفة المواد ، ليس مكلفًا للغاية ، بالإضافة إلى أن التكنولوجيا نفسها متوافقة مع الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة المصنعة اليوم.

يبدو أنه في السنوات القليلة المقبلة ، ستصبح الخلايا الشمسية المستندة إلى البوليمرات العضوية قابلة للتطبيق من الناحية التجارية ، لأن المطورين يخططون لزيادة كفاءتها إلى 15 ٪ ، أي إلى مستوى السيليكون.

تقريب المراجعة ألواح شمسية رقيقة جداً بسماكة 1.9 ميكرونوهو أرق عشر مرات من البطاريات الأخرى ذات الأغشية الرقيقة التي تم إنشاؤها سابقًا. قام العلماء اليابانيون والنمساويون معًا بتكوين لوحة شمسية عضوية مرنة على نحو غير عادي. في العرض التوضيحي ، تم لف المنتج حول شعر بشري يبلغ قطره 70 ميكرون.

تم استخدام مواد تقليدية لصنع البطارية ، لكن الركيزة كانت مصنوعة من 1.4 ميكرون من مادة البولي إيثيلين تيريفثالات. مع كفاءة 4.2 ٪ ، كانت الطاقة المحددة للبطارية الشمسية الجديدة 10 واط لكل غرام ، وهو ما يزيد بشكل عام 1000 مرة عن المؤشر المقابل لبطاريات السيليكون متعددة البلورات.

في هذا الصدد ، يبدو أن تطوير مجالات مثل "المنسوجات الذكية" و "الجلد الذكي" ، حيث ، بالإضافة إلى الألواح الشمسية ، قد تكون الدوائر الإلكترونية الدقيقة التي يتم إنشاؤها باستخدام تقنية مماثلة رقيقة ومرنة على حد سواء.

انظر أيضا:5 تصاميم غير عادية من مولدات الرياح