تصنيع ألواح شمسية منخفضة التكلفة بتقنية جديدة

محمد عبد السند

2025-11-07

0 303

اكتشفت مجموعة من الباحثين البريطانيين خاصية في جزيء رقائق إلكترونية عضوي، يمكن أن تمهد الطريق أمام تصنيع ألواح شمسية منخفضة التكلفة من مادة واحدة.

وتتحدى نتائج الدراسة المنشورة في دورية "نيتشر ماتيريالز"، طالعتها منصة الطاقة المتخصصة، النظريات التقليدية لتوليد الشحنات الكهربائية، وفق تفاصيل اطلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.

وتوضح تلك النتائج أن الرقائق الإلكترونية العضوية يمكن أن تُظهر ما يُطلَق عليه سلوك موت-هوبارد (Mott-Hubbard) الفيزيائي، وهي ظاهرة متأصلة في ميكانيكا الكم تصف تفاعلات الإلكترونات في نظام معين.

ويربط هذا الاكتشاف مبادئ الفيزياء طويلة الأجل بالعلوم المادية الحديثة، ومن الممكن أن تكون له تأثيرات في تقنيات الطاقة الشمسية.

فقد أوضحت الدراسة الكيفية التي أظهرت بها تلك الجزيئات العضوية سلوكًا لطالما ارتبط في السابق بالمواد غير العضوية فقط.

ألواح شمسية منخفضة التكلفة

حول تصنيع ألواح شمسية منخفضة التكلفة، فقد أعلن باحثون من جامعة كمبريدج البريطانية، اكتشافهم خصائص كهروضوئية في جزيء من الرقائق الإلكترونية المتوهج المعروف باسم "بولي 3 ثلاثي فينيل ميثيل ثيوفين"، ورمزه الكيميائي "بي 3 تي تي إم" (P3TTM).

وعلى عكس الرقائق الإلكترونية غير العضوية التقليدية التي تحوي إلكترونات مقترنة، تحتوي الرقائق الإلكترونية العضوية على ما لا يقل عن إلكترون غير مقترن لكل جزيء؛ ما يمنحها طابع "الغلاف المفتوح".

والإلكترون المقترن -أو "الزوجي"- هو إلكترون يشغل المدار نفسه الذري مع إلكترون آخر، لكنه يدور معاكسًا له.

ويُستعمَل مصطلح "الغلاف المفتوح" في عدة سياقات، منها علم الكيمياء لوصف غلاف تكافؤ غير مكتمل إلكترونيًا.

وقال كبير مؤلفي البحث بيوين لي: "في معظم المواد العضوية، تقترن الإلكترونات ولا تتفاعل مع الأخرى المجاورة لها"، في تصريحات تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.

وأوضح: "لكن في نظامنا، حينما تتجمع الإلكترونات فإن التفاعل بين الإلكترونات غير المقترنة في المواقع المجاورة، يشجعها على الاصطفاف بالتناوب لأعلى وإلى أسفل، وهي الخاصية المميزة لسلوك موت-هوبارد".

وينشأ سلوك موت-هوبارد في المواد حينما تكون التفاعلات بين الإلكترونات قوية.

وفي جزيء الرقائق الإلكترونية المتوهج المعروف باسم "بولي 3 ثلاثي فينيل ميثيل ثيوفين"، يمكن النظر إلى كل جزيء على أنه منزل يحتوي على إلكترون واحد.

وحينما يثير الضوء إلكترونًا، فإنه يستطيع القفز إلى جزيء مجاور.

وفي هذا الصدد قال الباحثون: "عند امتصاص الضوء، فإن أحد تلك الإلكترونات يتحرك إلى أقرب إلكترون مجاور؛ ما تنتُج عنه شحنات إيجابية وسلبية يمكن جمعها في شكل تيار ضوئي".

شريط من مادة "بولي 3 ثلاثي فينيل ميثيل ثيوفين" البوليمرية ينبعث منه ضوء أحمر من حالة إثارة ثنائية - الصورة من موقع جامعة كمبريدج

اختبار التقنية لصناعة ألواح شمسية

لاختبار نتائج الدراسة صنع الباحثون خلية شمسية تجريبية باستعمال شريط مصنع من مادة "بي 3 تي تي إم" (P3TTM)، وهي جذر كيميائي عضوي مستقر.

ويتضمّن اللوح الشمسي طبقة من مادة بوليمرية خافضة للتوتر السطحي على أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO)، وطبقة من مادة بوكمينستر فوليرين (C60)، إلى جانب طبقة من "ميثيل إستر حمض فينيل-سي61-بيوتريك" (PCBM)، ونقطة اتصال من الألومنيوم.

وفي ظروف الإضاءة القياسية، حققت الخلية الشمسية كفاءة في جمع الشحنات، وفق ما قاله فريق البحث.

وأضاف: "يعني هذا أن كل فوتون ضوء تقريبًا قد تحول إلى شحنة كهربائية قابلة للاستعمال".

توليد شحنة كهربائية

قال الباحثون: "في الخلايا الشمسية المُصنّعة من الرقائق الإلكترونية الجزيئية التقليدية، تحدث عملية تحول الفوتون إلى شحنة كهربائية عادةً عند الواجهات فقط بين مادتَيْن -إحداهما تعمل مُعطية للإلكترونات والأخرى مستقبلة- ما يحُد من الكفاءة الكلية".

واستطردوا: "في المقابل فإنه في تلك المواد الجديدة، وبعد عملية امتصاص الفوتون، تدفع الطاقة إلكترونًا من جزيء إلى جزيء مجاور مماثل؛ ما تنتُج عنه شحنات كهربائية".

وأردف: "الطاقة اللازمة لتلك العملية -المسماة هوبارد يو- (Hubbard U) تمثّل التكلفة الكهروستاتيكية لوجود الإلكترون المزدوج على الجزيء المشحون سلبًا".

ويؤكد الباحثون أن تلك الطفرة من الممكن أن تساعد في تصنيع ألواح شمسية من مادة خفيفة الوزن منخفضة التكلفة.

واختتم الباحثون تصريحاتهم بالإشارة إلى أن "تلك النتائج تتيح طريقًا لاستكشاف توليد الكهرباء والكيمياء القائمتين على الطاقة الشمسية في كل من الحالة الصلبة والمحلول عبر استعمال مكون واحد فقط".

موضوعات متعلقة..