دور علم النانو في تعزيز أداء الخلية الشمسية

مقدمة: ثورة نانوسك في الطاقة الشمسية

إن السعي إلى استخدام الطاقة الشمسية الفعالة والميسورة التكلفة قد أدى إلى إجراء بحوث في مواد وأجهزة جديدة، ومن بين التطورات الواعدة تطبيق التكنولوجيا النانوية على الخلايا الفولطية الضوئية، ومن خلال المواد الهندسية التي تتراوح بين 1 و 100 مليتر، يمكن للعلماء الحصول على خصائص فريدة من نوعها البصرية والكهربائية والميكانيكية غير المستدامة في المواد السائبة، مما فتح مسارات أمام زيادة كفاءة استخدام الطاقة الكهربائية، وانخفاض تكاليف التصنيع.

وتتطلب مطالب الطاقة العالمية والمتطلبات المناخية اعتمادا سريعا للمصادر المتجددة، إذ أن المواد الضوئية الشمسية تمثل حاليا حصة متزايدة من توليد الكهرباء، ولكن من الضروري إجراء المزيد من التخفيضات في التكاليف وتحقيق مكاسب في الكفاءة من أجل التنافس مع الوقود الأحفوري، وتوفر التكنولوجيا النانوية مجموعة أدوات لمعالجة هذه التحديات في آن واحد، ومن خلال تعزيز الامتصاص الخفيف وتحسين الفصل بين الشحنات والنقل، وتمكين إنتاج الرشاقة في المستقبل من التعجيل بعملية الانتقال إلى مرحلة الانتقال إلى مرحلة مستدامة.

Understanding Nanotechnology in the Context of Photovoltaics

وينطوي علم النانو على التلاعب بالمسألة على النطاق الذري والجزئي، وفي هذا البعد، تظهر المواد نسبا عالية من سطح إلى حجم، وآثار حبس كمي، وهياكل قطاعية متغيرة، ويمكن استخدام هذه الخصائص في الخلايا الشمسية للتغلب على القيود المفروضة على الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يُستخدم نطاق المواد في تغيير حجم المادة المصممة على نحو أكثر فعالية.

والمزايا الرئيسية للهندسة النانوية تكمن في القدرة على فك الخواص البصرية والإلكترونية، وفي الخلايا الشمسية التقليدية، يجب أن يكون السميك كافيا لاستيعاب الضوء، الذي يؤدي في كثير من الأحيان إلى زيادة الخسائر في التراكم، ويمكن للهياكل النانوية أن تحقق استيعابا عاليا باستخدام المواد الدنيا، ويمكنها أن توفر مسارات مباشرة لشركات الشحن للوصول إلى الكهروديس، وهذا التحلل هو أمر أساسي لتحسين الأداء الذي يُرى في علم النانو.

Key Nanomaterials for Solar Cell Enhancement

النقطتين الكينتيمت

(أ) إن النقاط الكمية هي من المواد شبه الموصلية التي تُستخدم في مقياس الكيست (2-10 نانو متراً) وتُعتبر خصائصها البصرية معتمدة على الحجم بسبب العزل الكمي، ويمكن أن تُستخدم النقاط الكمية التي تُستخدم في الطيفات الشمسية في امتصاص وإشعال الضوء في موجات محددة، مما يسمح بتعدد طبقات النبضات الكميّة التي تُعدّها صوراً أوسع نطاقاً.

Nanowires

خلايا النانويف المُبلغ عنها: تُستخدم خلايا النانوجينات ذات النوايا الخافضة للأشعة تحت طائلة عشرات المقاييس وطولها إلى عدة ميكرومات، وهي توفر مزايا فريدة للخلايا الشمسية: تيسّر ارتفاع نسب الاستيعاب الضوئي وتحصيل الشحنات على طول مسارات محورية محددة.

الجسيمات النانوبية المعدنية والبلاستيكية

Metallic nanoparticles, particularly silver and gold, support localized surface plasmon resonances. These collective oscillations of electrons focuses incident light into subwavelength volumes, drastically increasing the local electromagnetic field.فض- when embedded in or placed near the active layer, solar nanoparticlesmonic nanrption

المحوريات المُشَرَّعة والمتسرِّبين

كما أن الأكسيدات ذات النطاق العالي مثل ثاني أكسيد التتانيوم (TiO2) وأكسيد الزنك (ZnO) تستخدم على نطاق واسع في خلايا شمسية ذات حساسة وزاوية، ويمكن في النانويكتين أن تُجمع هذه المواد على أنها أفلام مائية أو صفائف نانوويوية لتوفير مساحة كبيرة من الميزانات ذات القيمة المضافة الحرارية.

آليات تعزيز الأداء

تحسين استيعاب الضوء وتعقبه

الخلايا الشمسية التقليدية تعتمد على سطح مجهز بالنسيج وعلى المعاطف المضادة للارتطام لتعظيم الامتصاص الضوئي، وتضع البنى النانوية نهجا أكثر كفاءة، كما أن قياسات الترميز النانوية، أو أنماط التركيزات النانوية، أو أنماط العينين المتحركة، يمكن أن تخلق مؤشراً متسارعاً للثبات، مما يقلل من التأمل في مجموعة واسعة من الأزرق.

مركبة نقل محسنة

كما أن المواد ذات البنية العالية يمكن أن تيسر فصل الشحنات ونقلها، ففي الخلايا الشمسية العضوية ذات التحلل الهضمي، يؤدي الفصل بين المواد المانحة والمقبلة إلى إنشاء منطقة واسعة النطاق من أجل ترابط الخرساني، ويصل حجم النطاق النموذجي إلى 10-20 ميلا، مقارنة بطول الانتشار الفوقي، ويمكن أن توفر صفائف النانويين الناطقية الناطقية الاصطناعية مسارات ضارة مباشرة للكهرباء.

تطبيقات في مختلف تكنولوجيات الخلايا الشمسية

خلايا شمس

وتستفيد تكنولوجيات الرش، بما في ذلك السيليكون المأمون، وقود الكادميوم، وسيلينيد الغاليوم النحاسية، استفادة كبيرة من التكنولوجيا النانوية، مثلا، يمكن أن يؤدي استخدام مفكر خلفي ذي هيكل نانوي أو جسيمات نانوبية معدنية إلى زيادة طول الضوء المعالج في جهاز التوحيد الكيميائي المتوسط.

خلايا بيروفسكيت سولار

(أ) خلايا الطاقة الشمسية ذات الكفاءة العالية، والكلفة المنخفضة للسيليكون؛ وتتولى التكنولوجيا النانوية دوراً حاسماً في أدائها؛ وتوفر مركبتي النيتروز (Musoporous TiO2) أو طراز Al2O3 مساحة سطحية عالية لتسلل البيروفسكي، وتعزز استخراج الشحنات؛ وفي الآونة الأخيرة، أدرج الباحثون كميات من مواد البيروفسكيت ذات الصلة لتحقيق الاستقرار

خلايا التانديم والزيتون المتعددة

وبغية تجاوز حدود الكفاءة في خلايا الزيتون الواحدة، تجمع البنايات التاندامية بين ممتصات متعددة وبين مختلف مجموعات الضمادات، مما يتيح للجهاز التناسلي أن يدمج هذه الطبقات دون أن يُحدث أي خطأ في التكوين، كما أن الوصلات النانوية التي تنمو على المقاطع الفرعية يمكن أن تكون بمثابة الخلية العليا، مع امتصاص الصور العالية الطاقة، مع نقل طبقة من الوصلات الضوئية إلى خلايا الخفيفة.

اعتبارات التصنيع والتقسيم

تقنيات التكاثر

ويستلزم رفع الخلايا الشمسية المعززة بالناوتات طرائق للترسيب تكون فعالة من حيث التكلفة، وتنتج تقنيات مبنية على الحل مثل التغليف العمودي، وطباعة الجف، وتركيب الطلاء في فترات زمنية طويلة، وتقنيات الأشعة النانوية المرنة، وكميات الكم، كما أن أساليب الأشعة المتحركة مثل التحلل الكيميائي للبخار والتصوير الذري توفر رقابة دقيقة على التركيبة النانوية.

التكلفة والأثر البيئي

وفي حين أن المواد النانوية يمكن أن تقلل من استخدام المواد، فإن توليفها غالبا ما ينطوي على سلائف باهظة التكلفة وعمليات كثيفة الطاقة، واستخدام عناصر نادرة أو سامة، مثل الكادميوم أو الرصاص، يثير شواغل بيئية وصحية، ويضع الباحثون نقاطاً خالية من الرصاص (مثلاً، إن بي، كوينس 2) وطبقات نانوية متحررة بيئياً.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالسلامة

ويثير إدخال المواد النانوية المصممة في إنتاج الخلايا الشمسية تساؤلات بشأن السمية والمصير البيئي، ويمكن إطلاق الجسيمات النانوية أثناء التوليف أو التجهيز أو التخلص منها، بينما يبدي الباحثون في مجال تصميم المواد النانوية المحتوية على الكدمات قلقاً خاصاً بسبب السمية الفلزية الثقيلة، غير أن التكديس في البوليمرات أو الزجاج يمكن أن يخفف من التعرض أثناء التشغيل.

الآفاق المستقبلية والتوجيهات البحثية

ويتقدم ميدان التكنولوجيا النانوية للخلايا الشمسية بسرعة، وتشمل المناطق الناشئة استخدام الخلايا النانوية المشبع بالزئبق والليزر التي يمكن أن تثور في كفاءة الإضاءة إلى جانب الشمس، وتُستخدم خلايا البنى التحتية المحتوية على جميع أنواع الميسورات أو الموصلات ذات الوصلات النانوية المتطورة في مجال الارتقاء بالحجم التجاري.

ورغم التقدم المحرز، لا تزال هناك تحديات، إذ يجب حل قابلية الوصلات البينية المجهزة بالنانووية تحت التضليل والحرارة، إذ أن إنتاجية التصنيع وإعادة إنتاجها على نطاق واسع تحتاج إلى تحسين، فخفض التكاليف دون التضحية بالكفاءة هو الهدف النهائي، فمع استمرار الاستثمار والتعاون بين التخصصات، يمكن للخلايا الشمسية التي يمكن أن تحقق التكافؤ بين الشبكات بسرعة أكبر، وتسمح بتطبيقات جديدة مثل الطائرات الآلية الشمسية والثورات البحرية التي تعمل بالطاقة الشمسية.

خاتمة

وقد ثبت أن علم النانوات أداة قوية لتعزيز أداء الخلايا الشمسية عبر أبعاد متعددة، والكفاءة، والتكلفة، والمرونة، والقدرة على الاستمرار، فمن النقاط الكمية التي تسخر الطيف الشمسي الكامل إلى النانوير التي توفر نقلاً فعالاً، فإن التلاعب بالأمور في النانويكات يكشف عن إمكانيات جديدة، ومع معالجة تقنيات التصنيع النضج والشواغل البيئية، فإن أشعة الشمس ستدمج بصورة متزايدة في المنتجات التجارية.