خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي

مقدمة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي

يتكون الإشعاع الشمسي من فوتونات تتصرف كالموجات الكهرومغناطيسية أي أنه يمكن وصف كل موجة من الإشعاع الشمسي بخصائص محددة لها تردد وطول موجي وطاقة معينة.  يغطي الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس مجموعة كبيرة جدًا من الأطوال الموجية، بدءً بالموجات الراديوية ومرورًا بالأشعة تحت الحمراء والطيف المرئي للضوء والأشعة فوق البنفسجية ووصولًا إلى الأشعة السينية وأشعة غاما. يعرف الطول الموجي للموجة بأنه المسافة الفاصلة بين قمتين متتاليتين للموجة ويتناسب عكسيًا مع تردد الموجة فالموجات التي لديها طول موجي أكبر يكون ترددها أصغر والعكس صحيح. ومن ناحية أخرى تتناسب طاقة الموجة طرديًا مع ترددها، فكلما انخفض تردد الموجة كلما كانت طاقتها منخفضة أيضًا. على سبيل المثال، يتراوح الطول الموجي للموجات الراديوية من 1 سنتيمتر إلى 1 كيلومتر وتقاس طاقتها بالنانو إلكترون فولت (1نانوإلكترون فولت = 0.000000001 إلكترون فولت) في حين أن «الأشعة فوق البنفسجية-Ultraviolet Radiation» لديها طول موجي صغير جدًا يتراوح بين 10 نانومتر و 100 نانومتر بينما تصل طاقتها إلى حوالي 100 إلكترون فولت. أما«الطيف المرئي-Visible Spectrum» من الإشعاع الشمسي فيقع في طول موجي يتراوح بين 400 نانومتر و 700 نانومتر.

قدرة الخلايا الشمسية على امتصاص الإشعاع الشمسي

تبعث الشمس العديد من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي بكميات طاقة مختلفة. نلاحظ من خلال الصورة أدناه أن حوالي 43% من إجمالي الطاقة المشعة المنبعثة من الشمس موجودة في الأجزاء المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي. بينما 49% من الطاقة المنبعثة من الشمس تقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء الجزء المتبقي في الأشعة تحت الحمراء و 7% في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تصنع الخلايا الشمسية من مادة السيليكون البلوري ويمكن لهذه الخلايا الشمسية تحويل جزء صغير فقط من الطيف الشمسي إلى كهرباء بكفاءة. لا يتم امتصاص جزيئات الضوء منخفضة الطاقة، لأنها لا تملك ما يكفي من الطاقة لسد فجوة النطاق للمادة التي تصنع منها الخلايا الشمسية. على النقيض من ذلك، يمكن امتصاص الفوتونات عالية الطاقة، ولكن في عدد قليل من بيكو ثانية (10-12 ثانية) يتم تحويل الكثير من طاقتها إلى حرارة. وهذا يحد من الكفاءة القصوى إلى 30 بالمائة فقط. الجدير بالذكر أن حوالي 85% من الخلايا الشمسية المتوفرة تجاريًا تُصنع من مادة السيليكون البلوري ولكنها تمتص أشعة الشمس بشكل فعال فقط في المنطقة المرئية من الطيف الشمسي. تغطي مواد أخرى شبه موصلة مناطق مختلفة قليلاً من الطيف الشمسي، ولكن من الواضح أن أكثر الخلايا الشمسية كفاءة هي تلك التي تشمل كل منطقة من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء.

تتركز معظم الطاقة في مدى الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية

تطوير خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي

اكتشف فريق من الباحثين في جامعتي «RMIT»و«UNSW» في استراليا وجامعة «Kentucky» في الولايات المتحدة الأمريكية تقنية لاستخدام الأكسجين لنقل ضوء منخفض الطاقة إلى جزيئات يمكن تحويلها إلى كهرباء. تتضمن التقنية استخدام أشباه الموصلات الدقيقة المعروفة بالنقاط الكمومية لامتصاص ضوء الطاقة المنخفض ومن ثم تحويله إلى ضوء مرئي حتى تستطيع الخلايا الشمسية حصد الطاقة منه. تمكن الباحثون من تحقيق بنيىة تحويل تصاعدية باستخدام أشباه موصلات بلورية مصنوعة من مركب السولفايد المزود بالاكسجين.  تستطيع هذه التقنية امتصاص الفوتونات الواقعة في مدى الاشعة تحت الحمراء القريبة أو التي توجد تحت فجوة الطاقة لمادة السيليكون. يُعرف«upconversion-التحويل المتصاعد»بأنه العملية التي يتم من خلالها الجمع بين فوتونين في وسط غير خطي لإنتاج فوتون عالي الطاقة مع تردد يمثل مجموع تلك الفوتونات.

طيف الامتصاص والانبعاث للمواد المستخدمة في التجربة على أطوال موجية تصل حتى 1200 نانومتر

تطبيقات أخرى

لا تنحصر تطبيقات هذه التقنية في تطوير خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي فحسب، بل من الممكن استخدام الجسيمات النانوية ذات البنية الالكترونية المناسبة لكشف وتصوير «الأوكسجين الإفرادي-singlet oxygen»، والذي اكتشف دوره مؤخرا في تنظيم المقوية الوعائية وضغط الدم في العملية الالتهابية.

المصادر

Nature Photonics

independent

NASA

immunolight

phy.org