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”.

في الأساس، هذه تقنية تصنيع جديدة تقلل بشكل كبير من ‘تأثير الظل’ في الخلية الضوئية عن طريق إعادة وضع الاتصالات الكهربائية على جانبها الخلفي. وهذا يعني أن الوسط الملتقط للطاقة يمكنه الاستفادة من مساحة سطحية أكبر، مما يسمح للضوء الملتقط بالتفاعل معها. كما يتيح هذا النهج تصغيرًا كبيرًا للخلايا. كل ذلك يعني كفاءة أعلى وتكلفة أقل.

تطبيقات بديلة

ومن المثير للاهتمام، أن هذه الاختراقات التي نوقشت مهمة لأكثر من مجرد استغلال الطاقة الشمسية. قد تشير أيضًا إلى مسار مستقبلي لتقنية النانو بشكل عام من خلال إظهار جدوى الاستفادة من تقلبات الكم والقوى الأساسية مثل تأثير كازيمير وقوى فان دير فالس.
ستفتح المواد الموجهة للتصنيع الذاتي مجالًا جديدًا من الإمكانات في علم المواد سيؤثر بعمق على تقريبًا كل صناعة. وهذا يعني مواد بناء أخف وزنًا وأقوى، وإلكترونيات مصغرة، وأدوية أكثر فاعلية، وتوصيل مستهدف للأدوية، وأكثر.
الخلاصة هي أن تقنية النانو قد تحول هذه الصناعات جذريًا يومًا ما، مما يجعلها مجالًا جذابًا ومبشرًا للبحث العلمي والتقني. ومع ذلك، من المهم الاعتراف بأن رنان ربطة العنق الموجه والمصنع ذاتيًا هو مجرد خطوة واحدة من ماراثون.

اللاعبون في الصناعة

بينما قد يستغرق الأمر بضع سنوات قبل أن نرى رنانات ربطة العنق المتجمعة ذاتيًا وخلايا الاتصال الخلفي تُستخدم في تطبيقات العالم الحقيقي، فإن هذه هي الأنواع من الابتكارات التي سنحتاجها إذا كنا نتوقع تجنب، أو على الأقل تخفيف، أزمة المناخ المحتملة التي نواجهها بالفعل. ومع وضع ذلك في الاعتبار، فإن الشركات المتداولة علنًا التالية تشارك بشكل كبير في نمو صناعة الطاقة الشمسية والتقنية التي تجعل ذلك ممكنًا.

*الأرقام الواردة أدناه كانت دقيقة في وقت الكتابة وقد تتغير. يجب على أي مستثمر محتمل التحقق من المقاييس*

1. NextEra Energy Resources

NEE مخطط السعر

القيمة السوقية	نسبة السعر إلى الأرباح	ربحية السهم (EPS)
122,187,607,978	15.76	$3.78

NextEra Energy (NEE ) Resources هي الشركة الرائدة في الطاقة النظيفة في أمريكا الشمالية، وتتصدر في إنتاج طاقة الرياح والطاقة الشمسية. تقوم بتطوير وبناء وتشغيل مشاريع الطاقة الكهربائية، بما في ذلك أكثر من 150 مركز طاقة رياح وشمسية عالمي عبر 26 ولاية في الولايات المتحدة وأربع مقاطعات في كندا، وتولد أكثر من 17,000 ميجاواط من طاقة الرياح والطاقة الشمسية.

2.  First Solar

FSLR مخطط السعر

القيمة السوقية	نسبة السعر إلى الأرباح	ربحية السهم (EPS)
14,829,442,405	31.27	$4.42

First Solar (FSLR ) تصمم وتصنع أنظمة الطاقة الشمسية والوحدات الشمسية باستخدام تقنية أشباه الموصلات ذات الفيلم الرقيق. كما تقدم خدمات داعمة مثل التمويل، والبناء، والصيانة، وإعادة تدوير الألواح عند نهاية عمرها.

3. SolarEdge Technologies

SEDG مخطط السعر

القيمة السوقية	نسبة السعر إلى الأرباح	ربحية السهم (EPS)
4,181,874,567	19.79	$3.66

SolarEdge Technologies (SEDG ) هي رائدة عالمية في تقنية الطاقة الذكية. تقدم حلولًا للفوتوفولتية، والتخزين، وشحن المركبات الكهربائية، والبطاريات، ومصادر الطاقة غير المنقطعة، وخدمات الشبكة. تُعرف الشركة بحلها العاكس DC-المُحسّن من SolarEdge، الذي يزيد من توليد الطاقة مع تقليل تكلفة الطاقة المنتجة بواسطة الأنظمة الفوتوفولتية.

أفكار نهائية

تشكل التطورات في تقنية الفوتوفولتية، ولا سيما تطوير رنانات ربطة العنق المتجمعة ذاتيًا وخلايا الفوتوفولتية ذات الاتصال الخلفي، خطوة هامة في مواجهة التحديات العاجلة لتغير المناخ. تمثل هذه الابتكارات أكثر من تقدم علمي؛ فهي خطوات حاسمة نحو تحقيق مستقبل طاقة مستدام.

مع اقتراب هذه التقنيات من الاعتماد الواسع، فإنها تحمل وعدًا بجعل الطاقة الشمسية أكثر كفاءة، وتكلفة أقل، وتوفرًا، مما يسرّع الانتقال بعيدًا عن الوقود الأحفوري. هذا التقدم في تقنية الطاقة الشمسية لا يتماشى فقط مع الأهداف البيئية، بل يؤكد أيضًا إمكانات الطاقة المتجددة لتصبح مصدر طاقة سائد وعملّي في المستقبل القريب.