اختراق جديد في كفاءة الخلايا الشمسية يصل إلى 130% من الإنتاج الكمي: ScienceAlert

العلماء دائما يدفعون الحدود من كفاءة الخلايا الشمسية – مقدار ضوء الشمس المتاح الذي يتم تحويله إلى كهرباء – وقد أدى النهج الجديد للتكنولوجيا إلى نسبة عالية بشكل مذهل بلغت 130 بالمائة.العائد الكمي‘.

من المهم أن نلاحظ أن هذا هو عودة للطاقة على المستوى الكمي، لذلك نحن لا نتحدث عن لوحة شمسية تحول ضوء الشمس إلى كهرباء بمعدل 130 بالمائة. ومع ذلك، فإن هذا الإنجاز هو تحسين الكفاءة من حيث عدد المرات التي يحدث فيها حدث معين لكل فوتون يمتصه النظام.

لاختراق حاجز 100%، يقوم النهج الجديد بتقسيم الطاقة المحصودة من فرد واحد الفوتون الضوئي الوارد إلى قسمين، مما يؤدي بعد ذلك إلى تشغيل حالتين متحمستين (تعرفان باسم الإكسيتونات) في المادة المستقبلة.

إنها عملية تُعرف باسم انشطار القميص، وكما يوضح الفريق الدولي الذي يقف وراء البحث، فإنها تمنع فقدان الطاقة الزائدة على شكل حرارة.

هذه الخسارة هي جزء من السبب في أن الخلايا الشمسية عادة ما تصل إلى حوالي 33% من حيث الكفاءة الإجمالية، وهو قيد يعرف باسم حد شوكلي-كوايسر.

“لدينا استراتيجيتان رئيسيتان لاختراق هذا الحد” يقول الكيميائي يويتشي ساساكي، من جامعة كيوشو في اليابان.

“أحدهما هو تحويل فوتونات الأشعة تحت الحمراء ذات الطاقة المنخفضة إلى فوتونات مرئية ذات طاقة أعلى. والآخر، ما نستكشفه هنا، هو استخدام انشطار المفردة لتوليد اثنين من الإكسيتونات من فوتون إكسيتون واحد.”

استخدم الباحثون جزيئًا عضويًا يسمى التتراسين ليكون بمثابة المادة المنقسمة هنا، والتي من خلالها يمكن أن يحدث انشطار القميص. خصائصه تجعله مناسبًا لتقسيم حزمة واحدة عالية الطاقة إلى حزمتين منخفضتي الطاقة من خلال الإثارة الإلكترونية.

انشطار القميص ليس أ مفهوم جديد تماماومع ذلك، فهي نصف القصة فقط هنا. كان حجر العثرة الرئيسي في التجارب السابقة هو إعطاء انشطار المفرد وقتًا كافيًا للعمل قبل فقدان الطاقة أو نقلها إلى مكان آخر.

هذا هو المكان الذي يأتي فيه عنصر الموليبدينوم المعدني، والذي تم اختياره مرة أخرى لخصائصه الخاصة. ومن خلال مزجه مع التيتراسين، تمكن الفريق من التقاط الإكسيتونات المنقسمة في مركب الموليبدينوم.

على الاصغر المستوى الكمي، يعمل الموليبدينوم كما يسمى باعث الدوران. أولاً، يقوم بحبس الطاقة، ثم يستخدم الدوران الكمي لتحويل الحالات غير المرئية إلى ضوء. أعطى ذلك للفريق النتيجة المذهلة: 1.3 مجمعًا معدنيًا قائمًا على الموليبدينوم متحمس لكل فوتون تم امتصاصه.

“يمكن “سرقة” الطاقة بسهولة من خلال آلية تسمى نقل طاقة الرنين فورستر (FRET) قبل حدوث الضرب”. يقول ساساكي.

“لذلك كنا بحاجة إلى متقبل للطاقة يلتقط بشكل انتقائي الإكسيتونات الثلاثية المضاعفة بعد الانشطار.”

يجدر التأكيد مرة أخرى على أن هذه اختبارات معملية مبكرة. تتمثل الخطوات التالية في تحويل المحلول السائل المستخدم هنا إلى شكل صلب يمكن تركيبه إلى لوحة للطاقة الشمسيةبشكل موثوق وفعال، وهو ما يعترف الباحثون أنفسهم بأنه سيكون تحديًا كبيرًا.

هناك أيضًا مسألة تعلق مجمعات الموليبدينوم بالطاقة لفترة كافية لتكون مفيدة، وكذلك الاستيلاء عليها في المقام الأول. “عملية الاضمحلال” هذه هي شيء آخر تتناوله الدراسة.

متعلق ب: يمكن للألواح الشمسية الجديدة أن تشفي نفسها من الأضرار في الفضاء

ومع ذلك، فإن تلك المخاوف العملية المستقبلية لا ينبغي أن تبتعد عن إثارة البحث: فهو يحدد بوضوح طريقًا نحو الألواح الشمسية التي يمكن أن تتجاوز حدود الكفاءة اليوم، وهناك طرق متعددة يمكن من خلالها تعديل هذا المفهوم وتجربته للمضي قدمًا.

مع كون الطاقة الشمسية جزءًا حيويًا من تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري و تباطؤ تغير المناخمن المحتمل أن تكون القدرة على تحسين معدلات التحويل على الألواح الشمسية بشكل كبير بمثابة تحول في صناعة الطاقة – خاصة عندما تقترن بآليات جديدة لتخزين الطاقة.

“يمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو تطوير مواد تضخيم الإكسيتون/الفوتون من خلال الجمع بين مواد انشطار القميص مع مجمعات المعادن الانتقالية، وتعزيز تطبيق انشطار القميص إلى ما هو أبعد من القيود التقليدية.” يكتب الباحثين في ورقتهم.

وقد تم نشر البحث في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.