الخلايا الشمسية مع بلورات ضوئية نانونية

مع تسارع وتيرة تطوير تقنيات الطاقة وانتشارها في جميع أنحاء العالم، يجب القيام بما هو أكثر لضمان قدرة أنظمة الكهرباء على التكيف مع التغيرات الحالية والمستقبلية. ولقد عمل العلماء لسنوات طويلة وحتى يومنا هذا لإيجاد وسيلة لاستغلال بعض من الطاقة الحرارية المهدرة.
وقد نشر أخيرا باحثون من معهد ماساتشوستس للتقنية (MIT) بحثا في مجلة نيتشر للطاقة يعتقدون أنه سيحدث انفراجة كبيرة في تقنية تحويل الطاقة الشمسية. يدور هذا البحث حول بناء جهاز طاقة كهربائية حرارية شمسية STPV من شأنه تمكين الخلايا الشمسية من تخطي السقف المتوقع نظريا لكمية ضوء الشمس التي يمكن امتصاصها وتحويلها إلى كهرباء.
وحاليا يعكف الباحثون على دراسة واسعة لوسائل زيادة الكفاءة العامة للخلايا الشمسية من خلال استخدام طبقات متعددة من الخلايا أو تحويل ضوء الشمس الممتص أولا إلى حرارة ثم توليد الطاقة الكهربائية بعد ذلك. وتستخدم هذه المنهجية أجهزة الطاقة الكهربائية الحرارية الشمسية STPVs التي أخضعها فريق معهد ماساتشوستس للتقنية للاختبارات في دراستهم. وتتسم هذا الأجهزة بالقدرة على تعزيز أداء تجميع الطاقة الشمسية عن طريق تحويل أشعة الشمس واسعة النطاق إلى إشعاع حراري ضيق النطاق صالح للخلية الضوئية. وقد استخدم فريق البحث مواد ذات تقنية عالية تسمى بلورات ضوئية نانونية تم دمجها في النظام بواسطة أنابيب كربون نانونية عمودية، وهي تستطيع العمل في درجة حرارة عالية تبلغ ألف درجة مئوية. وهذه هي أول مرة توضع فيها مادة ما بين الشمس والخلية الكهروضوئية لتحسين كفاءة النظام الحراري.
وتشمل التقنيات الضوئية الأكثر انتشارا حاليا استخدام الخلايا الشمسية العادية التي تحول ضوء الشمس إلى طاقة ثم تنقلها إلى آلية تخزين وفي الوقت نفسه تنتج طاقة حرارية تتبدد وتضيع. وقد تمت إضافة طبقة مادية جديدة إلى هيكل الخلايا الشمسية بواسطة فريق معهد ماساتشوستس للتقنية لتمكين الجهاز من امتصاص واحتباس الطاقة الحرارية أولا ثم تحويل الإشعاع المنبعث إلى ضوء، حيث يتم تحويل الإشعاع المنبعث إلى موجات الضوء ذات الطول الموجي الأنسب للخلية الشمسية لالتقاطه.
ويميل هذا التكوين من الخلايا الشمسية وطريقة عمله إلى تحسين الكفاءة وتقليل الحرارة المتولدة. وفي هذا المنهج يتحقق امتصاص أشعة الشمس وإعادة انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي لاحقا من خلال الانبعاثات الحرارية المناسبة من الهياكل الضوئية النانونية. ويعمل الجهاز بشكل أكثر كفاءة مع تقليل معدلات توليد الحرارة في الخلية الضوئية إلى النصف في ظل كثافة إنتاج طاقة مماثلة.
تجدر الإشارة إلى أن وحدات امتصاص الحرارة يجب أن تعمل على الحفاظ على الطاقة وتحقيق أقصى قصور حراري. ويتمثل العنصر الرئيس لتحسين الكفاءة في استخدام طبقة من مواد ذات تقنية عالية تسمى بلورات ضوئية نانونية التي يمكن ضبطها وتهيئتها لتنبعث منها بدقة موجات ضوء محددة الطول عند تسخينها. ويتمتع جهاز الطاقة الكهربائية الحرارية الشمسية STPV بكفاءة تحويل أعلى من الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكهربائية مقارنة بالأجهزة التقليدية المعتمدة على الخلايا الكهروضوئية.
ويمكن لهذه التقنية الجديدة مضاعفة كمية الطاقة التي تولدها الألواح الشمسية من دون زيادة كبيرة في التكاليف. ولكن نظرا لارتفاع ثمنها نسبيا فإن العقبة التالية التي يجب التغلب عليها هي التوصل إلى كيفية توسيع نطاق الطاقة الكهربائية الحرارية الشمسية STPV بشكل اقتصادي. ويمكن اعتبار هذه الطريقة انفراجة في أسلوب تجميع الطاقة الشمسية.