مادة جديدة تزيد من كفاءة الخلايا الشمسية النهضة نيوز

تم عرض التأثير الكهروضوئي السائب (BPV) في سيلينيد الإنديوم ألفا الطور (α-In2Se3) تجريبيًا لأول مرة؛ تم إثبات كفاءة غير عادية وتأكيد التوقعات النظرية السابقة. وتسلط هذه الاكتشافات، التي يقودها باحثون يابانيون، الضوء على الإمكانات الكبيرة لـ α-In2Se3 في تقنيات الخلايا الشمسية وأجهزة الاستشعار الضوئية المستقبلية، مما يوفر طريقًا واعدًا نحو تطوير الطاقة المتجددة وتحقيق الحياد الكربوني.

فحص تأثير الكتلة الضوئية

يعد التأثير الكهروضوئي السائب (BPV) ظاهرة نادرة تسمح لبعض المواد بالتفوق على الوصلات التقليدية في الخلايا الشمسية. في اختراق حديث، أكد الباحثون في اليابان لأول مرة تأثير BPV في سيلينيد الإنديوم ألفا المرحلة (α-In2Se3)، بما يتوافق مع التنبؤات النظرية السابقة. تم تحقيق كفاءة تحويل مذهلة في α-In2Se3. يمثل الجهاز خطوة مهمة نحو الجيل التالي من تقنيات الخلايا الشمسية وأجهزة الاستشعار البصرية.

فهم التأثير الكهروضوئي

إن الفهم الجيد للتأثير الكهروضوئي، الذي يتيح تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية مفيدة، هو محور تصميم الخلايا الشمسية وتطويرها. تستخدم معظم الخلايا الشمسية اليوم وصلات p-n، مستفيدة من التأثير الكهروضوئي الذي يحدث عند الواجهة. من مواد مختلفة. ومع ذلك، فإن هذه التصاميم محدودة بحدود شوكلي-كوزر، التي تضع حدًا صارمًا على الحد الأقصى النظري لكفاءة تحويل الطاقة الشمسية وتفرض مقايضة بين الجهد والتيار الذي يمكن إنتاجه من خلال التأثير الكهروضوئي.

دراسة تأثير BPV في المواد البلورية

ومع ذلك، فإن بعض المواد البلورية تظهر ظاهرة مثيرة للاهتمام تعرف باسم التأثير الكهروضوئي بالجملة (BPV). في المواد التي تفتقر إلى التماثل الداخلي، قد تتحرك الإلكترونات المثارة بالضوء بشكل متماسك في اتجاه معين بدلاً من العودة إلى مواقعها الأصلية. وينتج عن هذا ما يعرف باسم “تيارات التوصيل”، مما يخلق تأثير BPV. على الرغم من أن الخبراء اقترحوا أن سيلينيد الإنديوم ألفا الطور (α-In2Se3) هو مرشح محتمل لإظهار هذه الظاهرة، إلا أنه لم يتم التحقيق فيها تجريبيًا بعد.

لسد هذه الفجوة المعرفية، قام فريق بحث من اليابان بقيادة البروفيسور المساعد نوريوكي أورا كامي من جامعة شينشو بدراسة تأثير BPV على α-In2Se3. وقد نشرت نتائجهم مؤخرا في مجلة رسائل الفيزياء التطبيقية.

يقول البروفيسور أورا كامي: “أصبحت هذه المادة موضوعًا ساخنًا في مجال فيزياء المواد المكثفة لأنها يمكن أن تنتج تيار نقل”. “دراستنا هي الأولى التي تثبت هذا التوقع تجريبيا.”

تصميم الجهاز مصنوع من مادة α-In2Se3

أولاً، ابتكر الباحثون جهازًا يتكون من طبقة رقيقة من α-In2Se3 محصورة بين طبقتين من الجرافيت الشفاف. كانت هذه الطبقات بمثابة أقطاب كهربائية وتم توصيلها بمصدر جهد ومقياس تيار لقياس التيارات المتولدة عند تعرضها للضوء. إن استخدام الفريق لترتيب الطبقة هذا جدير بالملاحظة لأنه ركز على تيارات النقل التي تحدث في الاتجاه العمودي في طبقة α-In2Se3.

وبعد إجراء الاختبارات بجهود خارجية مختلفة وضوء بترددات مختلفة، أكد الباحثون وجود تيارات توصيل في الاتجاه العمودي، مما يؤكد التوقعات المذكورة أعلاه. حدث تأثير BPV على نطاق واسع من ترددات الضوء.

مقارنة الكفاءة

والأهم من ذلك، قام الباحثون بتقييم إمكانية تأثير BPV لـ α-In2Se3 ومقارنتها بتلك الموجودة في المواد الأخرى. يقول البروفيسور أورا كامي: “أظهر جهاز α-In2Se3 الخاص بنا كفاءة كمية أعلى بعدة مرات من المواد الكهروضوئية الأخرى وكفاءة مماثلة للمواد ذات الأبعاد المنخفضة مع قطبية كهربائية محسنة”. ويضيف: “سيوجه هذا الاكتشاف اختيار المواد لتطوير الأجهزة الكهروضوئية الوظيفية في المستقبل القريب”.

ونأمل أن نحقق أثراً بيئياً إيجابياً

ويعرب الفريق البحثي عن أمله في أن تساهم جهودهم في مجال إنتاج الطاقة المتجددة، مما يؤدي في النهاية إلى تأثير بيئي إيجابي. ويقول البروفيسور أورا كامي: “إن نتائجنا لديها القدرة على تسريع نشر الخلايا الشمسية، وهي إحدى التقنيات الرئيسية لحصاد الطاقة البيئية ومسار واعد نحو تحقيق مجتمع خالٍ من الكربون”.

نأمل أن يؤدي هذا العمل إلى مزيد من الأبحاث التي من شأنها استغلال تأثير BPV وتحسين أداء الخلايا الشمسية بشكل كبير، وكذلك تطوير تصميم أجهزة الاستشعار الحساسة للضوء.