قطعة صغيرة من القنب الشمسي النموذجي. جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، CC BY-ND
والإمكانات المولدة للطاقة للألواح الشمسية - والقيود الرئيسية على استخدامها - هي نتيجة لما صنعت منه. فالصفائح المصنوعة من السليكون تتناقص في السعر ، بحيث يمكنها في بعض المواقع توفير الكهرباء تكاليف حول نفس الطاقة من الوقود الأحفوري مثل الفحم والغاز الطبيعي. لكن الألواح الشمسية السليكون هي أيضا ضخمة ، جامدة وهشة ، لذلك لا يمكن استخدامها في أي مكان.
في العديد من أجزاء العالم التي لا تملك كهرباء منتظمة ، يمكن أن توفر الألواح الشمسية قراءة ضوء بعد حلول الظلام والطاقة ل ضخ مياه الشرب، مساعدة قوة الأعمال المنزلية الصغيرة أو القرى أو حتى تخدم ملاجئ الطوارئ ومخيمات اللاجئين. لكن الهشاشة الميكانيكية والثقل وصعوبة المواصلات في ألواح السليكون الشمسية تشير إلى أن السيليكون قد لا يكون مثاليًا.
بناء على عمل الآخرين, مجموعتي البحثية تعمل على تطوير الألواح الشمسية المرنة، والتي ستكون فعالة مثل لوحة السليكون ، ولكنها ستكون رقيقة وخفيفة الوزن وقابلة للانحناء. هذا النوع من الأجهزة ، الذي نسميه "قماش القنب الشمسية"يمكن أن ينتشر إلى حجم الغرفة وتوليد الكهرباء من الشمس ، ويمكن أن تصل إلى حجم الجريب فروت ومحشوة في حقيبة تحمل على الظهر ما لا يقل عن مرات 1,000 دون كسر. بينما كان هناك بعض الجهود لجعل الخلايا الشمسية العضوية أكثر مرونة ببساطة مما يجعلها رقيقة جداتتطلب المتانة الحقيقية هيكلاً جزيئيًا يجعل الألواح الشمسية مطّالة وقاسية.
أشباه الموصلات السيليكون
يشتق السيليكون من الرمل ، مما يجعله رخيصًا. والطريقة التي تحزم بها ذراتها في مادة صلبة تجعلها أشباه موصلات جيدة ، مما يعني أن توصيلها يمكن أن يتم تشغيله وإيقافه باستخدام المجالات الكهربائية أو الضوء. لأنها رخيصة ومفيدة ، السيليكون هو أساس الرقاقات الدقيقة ولوحات الدوائر في أجهزة الكمبيوتروالهواتف الجوالة وجميع الأجهزة الإلكترونية الأخرى ، حيث تنقل الإشارات الكهربائية من عنصر إلى آخر. والسيليكون هو مفتاح معظم الألواح الشمسية ، لأنه يستطيع تحويل الطاقة من الضوء إلى الشحنات الإيجابية والسلبية. تتدفق هذه الشحنات إلى الجوانب المقابلة للخلية الشمسية ويمكن استخدامها مثل البطارية.
لكن خصائصه الكيميائية تعني أيضًا أنه لا يمكن تحويلها إلى إلكترونيات مرنة. السيليكون لا يمتص الضوء بكفاءة عالية. قد تمر الفوتونات عبر لوحة السليكون الرقيقة جدًا ، لذا يجب أن تكون سميكة جدًا - حول ميكرومترات 100 ، حول سمك فاتورة الدولار - بحيث لا يضيع أي من الضوء.
أشباه الموصلات من الجيل التالي
لكن الباحثين وجدوا أن أشباه موصلات أخرى أفضل بكثير في امتصاص الضوء. مجموعة من المواد تسمى "perovskites، "يمكن استخدامها لصنع الخلايا الشمسية التي هي تقريبا بنفس كفاءة السيليكون، ولكن مع طبقات امتصاص الضوء التي هي واحد من الألف من سمك المطلوبة مع السيليكون. ونتيجة لذلك ، يعمل الباحثون على البناء الخلايا الشمسية perovskite التي يمكن أن تعمل بالطاقة الطائرات الصغيرة بدون طيار والأجهزة الأخرى التي يكون فيها تقليل الوزن عاملاً رئيسيًا.
• جائزة نوبل 2000 في الكيمياء وقد تم منحه للباحثين الذين وجدوا لأول مرة أنهم يستطيعون صنع نوع آخر من أشباه الموصلات فائقة النحافة ، يسمى بوليمر أشباه الموصلات. ويطلق على هذا النوع من المواد اسم "أشباه الموصلات العضوية" لأنه يعتمد على الكربون ، ويطلق عليه "بوليمر" لأنه يتكون من سلاسل طويلة من الجزيئات العضوية. بالفعل أشباه الموصلات العضوية المستخدمة تجاريا ، بما في ذلك في صناعة مليار دولار of يعرض الصمام الثنائي العضوي الباعثة للضوء، والمعروف باسم تلفزيونات OLED.
لا تكون أشباه موصلات البوليمر فعالة في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء مثل البيروفسكايت أو السيليكون ، لكنها أكثر من ذلك بكثير مرنة وقد تكون دائمة بشكل غير عادي. البوليمرات العادية - وليس تلك التي شبه الموصلة - توجد في كل مكان في الحياة اليومية. هم الجزيئات التي تشكل النسيج والبلاستيك والطلاء. تمتلك أشباه الموصلات البوليمرية القدرة على الجمع بين الخواص الإلكترونية لمواد مثل السيليكون مع الخواص الفيزيائية للبلاستيك.
أفضل ما في العالمين: الكفاءة والمتانة
اعتمادا على هيكلها ، البلاستيك لديها مجموعة واسعة من الخصائص - بما في ذلك المرونة ، كما هو الحال مع قماش القنب ؛ والصلابة ، مثل لوحات الجسم من بعض السيارات. تتميز البوليمرات شبه الموصلة بهياكل جزيئية جامدة ، ويتكون العديد منها من بلورات صغيرة. هذه هي المفتاح لخصائصها الإلكترونية ولكنها تميل إلى جعلها هشة ، وهي ليست سمة مرغوبة لأي عناصر مرنة أو جامدة.
تركز عمل مجموعتي على تحديد طرق الإنشاء المواد مع كل خصائص جيدة أشباه الموصلات والمتانة البلاستيك معروفة - سواء مرنة أم لا. هذا سيكون مفتاح فكرتي عن قماش القنب الشمسي أو البطانية ، ولكن يمكن أن يؤدي أيضا إلى مواد التسقيف ، بلاط الأرضيات في الهواء الطلق أو ربما حتى أسطح الطرق أو مواقف السيارات.
سيكون هذا العمل مفتاحًا لتسخير قوة ضوء الشمس - لأنه ، بعد كل شيء ، أشعة الشمس التي تضرب الأرض في ساعة واحدة تحتوي الطاقة أكثر من كل استخدامات البشرية في السنة.
نبذة عن الكاتب
دارين ليبومي ، أستاذ هندسة النانو ، جامعة كاليفورنيا في سان دييغو
تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. إقرأ ال المقال الأصلي.
كُتبٌ ذاتُ صِلَةٍ
at سوق InnerSelf و Amazon
