تقدم تقنية الألواح الشمسية فرصةً ممتازةً لتشجيع الناس على ترك استخدام الطاقة الكهربية المولَّدة من حرق الفحم الحجري، فقد توصل العلماء لابتكار جديد يضاعف كمية الضوء الذي تلتقطه الخلايا الشمسية التقليدية.
كشفت دراسة جديدة أجراها فريق من علماء المملكة المتحدة والبرتغال والبرازيل أن حفر نمط سطحي من الخطوط المحززة متساوية البعد والمتوازية على الخلايا الشمسية يساعد على زيادة التيار الكهربي المتولد باستخدام السيلكون البلوري بنسبة 125%.
يقول الباحث في مجال الخلايا الكهروضوئية كريستيان شوستر من جامعة يورك: «وجدنا حيلةً بسيطةً لتعزيز امتصاص الخلايا الشمسية الرقيقة. تظهر أبحاثنا أن فكرتنا في الواقع تنافس أفكارًا أخرى لتصميمات أعقد لتحسين امتصاص الضوء، إذ يمكن امتصاص كمية أكبر من الضوء في عمق الجزء المستوي، وكمية أقل من الضوء قرب سطح البنية ذاتها».
وفقًا للفريق، حتى الآن لم تُنتج المحاولات المشابهة باستخدام تصميمات محززة شبكية أبسط إلا مكاسب ضئيلةً في امتصاص ضوء الشمس، ما أدى إلى المزيد من التعديلات الهيكلية الأعقد نظريًا، ناهيك بجميع أنواع التصميمات البديلة القائمة على الطاقة الشمسية مثل الألواح الشمسية المضادة -التي تستطيع العمل ليلًا، وطحالب تجميع الضوء، والخلايا الشمسية الشفافة.
يقدم كل اكتشاف تطويرًا نهضويًا نحو عالم أقل اعتمادًا على الوقود الحجري -لنتوقف عن استخدامه في النهاية، وفقًا لشوستر وفريقه، حتى التعديلات البسيطة للغاية على تقنية الخلايا الشمسية الحالية قد تزيد كثيرًا من قدرتنا على الحصول على الطاقة المطلوبة من الشمس.
بدلًا من البحث عن تصميمات هيكلية جديدة تعتمد على أنسجة طبيعية أو خوارزميات حسابية، ركز الباحثون على تحديد الاعتبارات النظرية الأساسية للتوصل إلى نمط محسن لتَشتت ضوء الشمس وانحرافه، إذ يهدفون إلى صنع خلايا شمسية قادرة على امتصاص أكبر قدر ممكن الطاقة عبر التقاط المزيد من ضوء الشمس، والعمل على تقليل انعكاسات الخلايا ذاتها.
تقترح النماذج التي صممها الفريق بأن هذه الخطوط الشبكية المحززة المرتبة بطريقة دورية بسيطة وفق بنية شبه عشوائية ستحسن الأداء في «المجال الضوئي»، وهو المنطقة الموجودة ضمن بنية فوتونية حيث يُرتَّب عنصر الانكسار الأساسي دوريًا وفقًا لتصميم أحادي البعد.
أجرى الفريق في إحدى التجارب محاكاةً لأداء المجال الضوئي بنمط رقعة الداما المصنوع من لوح السيليكون البلوري بسُمك ميكرومتر واحد فقط -يُعد أرق بأضعاف عدة من خيط نسيج شبكة العنكبوت، ثم قارنوا الأداء بأنواع أخرى من تصميمات الخلايا الشمسية متضمنةً خليةً مستويةً عاديةً وأخرى ذات خطوط شبكية أفقية أو خطوط متقاطعة وغيرها.
اقترحت النتائج أن لوحة الداما ذات التدوير العشوائي المتناوب لوحداتها المتكررة تُنتج تيارًا أكثر من أي خلايا منافسة، إذ تولد نحو 125% مقارنةً بما قد تنتجه الخلايا الشمسية التقليدية التي لا تحوي تصميم الخطوط الشبكية.
أوضح الفريق أنه من السهل الحصول على تصميم رقعة الداما عمليًا لبساطته، إذ يعد أمتن من أنماط الخلايا الشمسية ذات البنى النانوية الأعقد.
يقول شوستر: «تلبي قواعد تصميمنا جميع الجوانب اللازمة لحجز الضوء ضمن الخلايا الشمسية، ممهدةً بذلك الطريق للحصول على بنًى بسيطة وعملية وذات خواص انكسارية مميزة، مع تأثير محتمل يتجاوز التطبيقات الضوئية. يقدم هذا التصميم احتمالات أكبر لدمج الخلايا الشمسية ضمن تجهيزات رقيقة مرنة، وبذلك نحصل على فرص أكثر لاستخدام الطاقة الشمسية في المزيد من المنتجات».
ينوه الباحثون بأن النتائج النموذجية التي توصلوا إليها من دراستهم النظرية قد تكون أقل إثارةً للإعجاب خلال التطبيق العملي، إذ تتقيد إجراءات التصنيع بمواد محددة تُستخدم لتصنيع الخلايا وتغليفها، إضافةً إلى تأثير تغيير عمق حفر الألواح أو حجمها.
مع ذلك يشير فريق العلماء إلى أن مبادئ التصميم قد تؤدي إلى تأثيرات إيجابية في تصميمات الخلايا الشمسية، وكذلك في المجالات المعتمدة على التوابع الفيزيائية المعطلة لانحراف الضوء، مثل: دروع الضوضاء الصوتية، وألواح مقاومة الرياح، والأسطح المانعة للانزلاق وغيرها.
يرى الفريق أن تصنيع مثل تلك الخلايا الشمسية الرقيقة المزودة بتصميم رقعة الداما قد يضاعف فعالية استخدام الموارد المطلوبة لتصنيع الخلايا 10 أضعاف.
يقول شوستر: «مبدئيًا سنتمكن من استخدام 10 أضعاف الطاقة الشمسية بنفس الكمية من المادة الممتصة. إذ تحقق الخلايا الشمسية الأرقّ بعشرة أضعاف انتشارًا أسرع للخلايا الكهروضوئية، وزيادة إنتاج الكهرباء ذات المصدر الشمسي، وتقليلًا كبيرًا لانبعاثات الكربون».
اقرأ أيضًا:
ما سبب محدودية كفاءة الألواح الشمسية ؟
لماذا تُصنع الألواح الشمسية التابعة لمحطة الفضاء العالمية من الذهب؟
ترجمة: فاطمة طاهر أحمد
تدقيق: راما الهريسي
مراجعة: أكرم محيي الدين
