هل يمكن أن يؤدي الاستفادة من تقلبات الكم إلى ألواح شمسية أكثر كفاءة؟

إذا كان العلماء على حق، قد يكون العالم على حافة أزمة مناخية. وبما أن ذلك هو الحال، يجب اتخاذ إجراء عاجل لمعالجة المشكلة. بالنسبة للكثيرين، الفاكهة السهلة في مكافحة تغير المناخ لا تزال الانتقال بعيدًا عن اعتمادنا على الوقود الأحفوري كمصدر للطاقة نحو خيارات أكثر استدامة مثل الطاقة المائية، والرياح، والحرارية الأرضية، والشمسية. ومع ذلك، لتحقيق ذلك فعليًا، يجب بذل جهد متواصل لتطوير التكنولوجيا وراء هذه البدائل. لحسن الحظ، يعمل الباحثون بجد بالفعل، مع عدة دراسات تشير إلى مستقبل مشرق للخلايا الضوئية، التي تجعل جمع الطاقة الشمسية ممكنًا.

رنانات ربطة العنق

رنانات ربطة العنق هي نوع من الهياكل التي ستُستخدم في خلايا ضوئية من الجيل التالي، تم بناؤها بهدف حجز الضوء داخل فراغ مغلق. الهدف من ذلك هو تعظيم وقت الاتصال بين الضوء المحبوس وأي وسط يُستخدم لنقل/التقاط الطاقة. ومن المثير للاهتمام، سُميت رنانات ربطة العنق بهذا الاسم بسبب شكلها الذي يشبه ربطة العنق.
عادةً، في غياب التسرب، كلما كان الرنان أصغر، كلما كان أكثر فعالية في حجز الضوء – مما يؤدي إلى كفاءة أعلى والتقاط طاقة أكبر. للأسف، وصلنا إلى مرحلة حيث تم تقريبًا استنفاد تقنيات التصنيع التقليدية. هنا يأتي دور الدراسة التي سعت إلى الاستفادة من تقلبات الكم التي تنتج القوى الأساسية المعروفة باسم

• تأثير كازيمير
• قوى فان دير فالس

كان الهدف من ذلك توجيه التصنيع الذاتي لرنان أصغر بكثير مما هو ممكن حاليًا على نطاق واسع. وكانت النتيجة تقدمًا كبيرًا وناجحًا في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات، حيث تمكن الفريق من الاستفادة من قوى كازيمير-فان دير فالس لـ’التجميع الذاتي الحتمي’ للهياكل النانوية المعلقة من السيليكون وإنشاء فراغ رنان نانوسي.
ببساطة – بدلاً من محاولة بناء رنان على هذا النطاق الصغير، بنى الفريق نصفين واعتمد على تقلبات الكم لـ’دمجهما’ معًا عندما يُوضعان على مسافة قريبة جدًا من بعضهما. تشير الورقة إلى أن “بالمقابل، كان لتقنية أشباه الموصلات المستوية تأثير تكنولوجي هائل، بفضل قابلية التوسع الفطرية لها، ومع ذلك يبدو أنها غير قادرة على الوصول إلى الأبعاد الذرية التي يتيحها التجميع الذاتي.”

ماذا يعني ذلك؟

إن تداعيات هذه التقنية واسعة النطاق، مع تطبيقات محتملة عبر مجالات مختلفة. توضح الورقة ذلك، قائلةً ما يلي.

“بينما يُظهر عملنا التجميع الذاتي للحُجر الضوئية مع حجز يتراوح بين القليل إلى دون النانومتر، قد يُطبق أسلوبنا في مجال أوسع بكثير من البحث والتكنولوجيا، على سبيل المثال، تسلسل مسام نانوية صلبة، أقطاب كهربائية لتقنية النفق الكمومي ذات الفجوة النانوية أو أقنعة ظل عالية الجودة للغاية للأجهزة الإلكترونية الكمومية الفائقة التوصيل.

بشكل عام، يفتح عملنا آفاقًا لاستكشاف أنظمة جديدة من الفوتونيات والإلكترونيات والميكانيكا على المقاييس الذرية، وفي الوقت نفسه يتيح دمجًا قابلًا للتوسع ومتناسقًا ذاتيًا مع بنى الشرائح واسعة النطاق.”

تُعد الحجرة المتصلة بدليل الموجة المُجمعة ذاتيًا مثيرة للاهتمام بشكل خاص فيما يتعلق بتحسين التفاعل بين الضوء والمادة، مما قد يتيح تشغيل الأجهزة على مستويات الفوتون الواحد ويسهل مستويات جديدة من الكفاءة لم تُرَ بعد في الخلايا الضوئية.

خلايا ضوئية ذات اتصال خلفي

ومن الجدير بالذكر أن هذا ليس التقدم المحتمل الذي يغير قواعد اللعبة الوحيد في الأسابيع الأخيرة المتعلقة بالخلايا الضوئية. نجح الباحثون في جامعة أوتاوا (U of O) في تصنيع “…أول خلايا ضوئية ميكرومترية ذات اتصال خلفي”.

المصدر: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015