التلدين بالهيدروجين تسجل رقما قياسيا جديدا.. ماذا تعني هذه التقنية؟

تشر موقع "تيك إكسبلور" تقريرا للصحفية إنغريد فاديلي، قالت فيه إن الخلايا الكهروضوئية (PVs)، وهي الأجهزة التي يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، أصبحت منتشرة على نحو متزايد ويعتمد عليها المزيد من الناس في جميع أنحاء العالم الآن لتوليد الكهرباء. يعمل مهندسو الطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم على تحديد المواد والعمليات التي يمكن أن تساعد في تقليل تكاليف تقنيات الطاقة الشمسية بشكل أكبر، مع زيادة كفاءة تحويل الطاقة.

المادة الواعدة لتطوير الخلايا الكهروضوئية هي الكستريت (CZTS)، وهو من أشباه الموصلات تظهر فجوة طاقة كبيرة وبالتالي يمكنها امتصاص الضوء بكفاءة أكبر. وعلى النقيض من السيليكون، الذي يعد حاليا المادة الأساسية المستخدمة في تصنيع تقنية الخلايا الكهروضوئية، فإن الكستريت غير سام ومصنوع من عناصر وفيرة على الأرض. وبالتالي، يمكن استخدامه لإنشاء خلايا شمسية أكثر استدامة وبأسعار معقولة.

وعلى الرغم من مزاياها، أظهرت الخلايا الشمسية CZTS حتى الآن كفاءة أقل بكثير من نظيراتها من السيليكون، حيث وصلت إلى حد أقصى قدره 11%. ويرجع أداؤها المحدود إلى حد كبير إلى عملية تُعرف باسم إعادة تركيب الناقل، والتي تنطوي على إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب الناتجة عن الضوء قبل أن يتم التقاطها لتوليد الكهرباء.

استكشف باحثون في جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني إمكانية التخفيف من آثار إعادة تركيب الناقل في الخلايا الشمسية ذات الفجوة النطاقية العريضة من الكستريت باستخدام تقنية تُعرف باسم التلدين الهيدروجيني.

وتُظهر ورقتهم البحثية، المنشورة في مجلة Nature Energy، أن هذه التقنية يمكن أن تساعد في تحسين جمع الناقل لهذه التقنيات الشمسية، من خلال إعادة توزيع الأكسجين والصوديوم في طبقات CZTS.

قال كيوين صن، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، لموقع تيك إكيبلور: "لقد استوحينا عملنا من الحاجة إلى تحديد مادة مستدامة ومنخفضة التكلفة وصديقة للبيئة لتقنيات الطاقة الشمسية من الجيل التالي".

"يعتبر CZTS مرشحا واعدا بشكل خاص باعتباره الخلية الأولى في هياكل الخلايا الشمسية الترادفية نظرا لفجوة النطاق القابلة للضبط والاستقرار واستخدام العناصر غير السامة المتوفرة في الأرض. ومع ذلك، كان التحدي الرئيسي هو تحسين كفاءة جمع الناقل لهذه المادة".

كان الهدف الرئيسي من هذه الدراسة الأخيرة هو إظهار أن التلدين بالهيدروجين، وهي تقنية تنطوي على تسخين الأجهزة في جو يحتوي على الهيدروجين، يمكن أن تساعد في تعزيز كفاءة CZTS. لتحقيق هذه الغاية، ابتكر الباحثون طريقة بسيطة وقابلة للتطوير لتلدين CZTS في بيئة تحتوي على الهيدروجين.

أوضح صن: "يلعب الهيدروجين دورا حاسما في طريقتنا، من خلال إعادة توزيع الصوديوم داخل المادة وإخفاء العيوب، وخاصة بالقرب من سطح الممتص".

"تعمل هذه العملية على تعزيز نقل الناقل وتجميعه بشكل كبير، وهما عاملان رئيسيان لتحقيق الأجهزة عالية الأداء. ومن خلال تحسين هذه الخصائص، يعزز نهجنا من مكانة CZTS كمادة عملية وفعالة من حيث التكلفة في الخلايا الشمسية الترادفية، وقادرة على الاقتران بكفاءة مع السيليكون للاستفادة من طيف شمسي أوسع".

وكجزء من دراستهم، طبق صن وزملاؤه طريقة التلدين الهيدروجيني المقترحة على خلية شمسية CZTS خالية من الكادميوم. والجدير بالذكر أنهم وجدوا أن هذا النهج عزز أداء الخلية الشمسية، مما أسفر عن كفاءة قياسية بلغت 11.4%.

وقال صن: "إن تقنيتنا المقترحة ليست خاصة بـ CZTS فحسب، بل أظهرت أيضا نتائج واعدة في مواد الخلايا الشمسية الأخرى ذات الأغشية الرقيقة، مثل CIGS. من الناحية العملية، توضح كيف يمكن لـ CZTS ذات الفجوة النطاقية الواسعة، مع انخفاض تكلفتها واستقرارها وصديقتها للبيئة، أن تكون مرشحا ممتازا للخلية العليا في البنيات الترادفية، مما يمهد الطريق لحلول طاقة شمسية أكثر كفاءة واستدامة".

تقدم الورقة البحثية الأخيرة التي أجراها صن وزملاؤه تقنية بسيطة وفعالة لتنظيم توزيع الصوديوم في CZTS، والتي يمكنها بدورها تعزيز كفاءة جمع الناقلات للخلايا الشمسية القائمة على CZTS. في المستقبل، يمكن تطبيق نهجهم المقترح على الخلايا الكهروضوئية الأخرى ذات الفجوة النطاقية الواسعة المصنوعة من الكستريت، مما قد يساهم في نشرها في المستقبل في بيئات العالم الحقيقي.

وأضاف صن: "تهدف أبحاثنا المستقبلية إلى دفع كفاءة الخلايا الشمسية CZTS ذات الفجوة النطاقية الواسعة إلى ما هو أبعد من معيار 15% مع الحفاظ على مزاياها البيئية والاقتصادية. ويشمل هذا تحسين عملية التلدين الهيدروجيني واستكشاف تقنيات أخرى لتحسين خصائص المواد الكهروضوئية بشكل أكبر".

للاطلاع إلى النص الأصلي (هنا)

المصدر: عربي21