قد يوسّع تحويل الفوتونات الصاعدة إمكانات الهيدروجين الشمسي

عندما يتعلق الأمر بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة مفيدة، تم تركيز الكثير من الجهود على الخلايا الضوئية (الفوتوفولطية)، حيث إن هذه الطريقة يمكنها تحويل جزء كبير من طاقة الشمس إلى كهرباء.

ومع ذلك، لا يعني ذلك أن هذه هي الخيار الأكثر كفاءة لجميع التطبيقات. على سبيل المثال، إذا كان الهدف هو إنتاج الهيدروجين الأخضر، فإن ذلك يخلق عملية متعددة الخطوات حيث تُفقد الكفاءة في كل خطوة: ضوء الشمس → طاقة → نقل → التحليل الكهربائي → هيدروجين.

لهذا السبب تم استكشاف نهج مختلفة، لا سيما استخدام ضوء الشمس مباشرةً لتحويل الماء إلى هيدروجين، وهي عملية تُعرف بالتحفيز الضوئي.

المشكلة هي أنه حتى مع وجود المحفزات المناسبة، فإن معظم ضوء الشمس يقع في نطاقات الضوء المرئي وتحت الأحمر، وهي ببساطة غير ذات طاقة كافية لتفكيك جزيئات الماء إلى هيدروجين. لذا حتى مع تحسين كفاءة التحفيز الضوئي باستخدام كربيد السيليكون، لا يزال الأمر غير مثالي. في الغالب، الجزء الوحيد القوي بما يكفي هو الجزء فوق البنفسجي (UV) من طيف الضوء.

لهذا السبب فإن الاكتشاف الذي قام به باحثون يابانيون في جامعة كيوشو ومعهد العلوم الجزيئية (SOKENDAI)، حيث وجدوا طريقة صلبة جديدة يمكن استخدامها لزيادة مستويات طاقة الفوتونات قد يكون نقطة تحول لإنتاج الهيدروجين الأخضر في المستقبل. نشروا نتائجهم في المجلة المرموقة Nature Communications¹ تحت عنوان “أنظمة الإلكترونات π المحمية فراغيًا لتحويل الفوتونات الصلبة بكفاءة”.

من الضوء المرئي إلى الضوء فوق البنفسجي

يمكن أن يؤدي التحفيز الضوئي للماء إلى هيدروجين إلى تعزيز إنتاج الطاقة الخضراء بشكل جذري. ذلك لأن الهيدروجين الأخضر هو العنصر المفقود الرئيسي لتخزين الطاقة على مدار أسابيع وشهور من قلة ضوء الشمس أو عدم وجود رياح، وهو أيضًا الوقود المثالي لإزالة الكربون من قطاعات مثل الشحن والطيران، إما مباشرةً أو عبر إنتاج الأمونيا والوقود الصناعي. لكن للأسف، فقط الأشعة فوق البنفسجية هي القوية بما يكفي لأداء التحفيز الضوئي.

“على الرغم من أن المحفزات الضوئية غير العضوية التي تستخدم الضوء فوق البنفسجي (UV) قد حققت انقسام ماء ضوئي عالي الكفاءة، إلا أنها تعاني من انخفاض نسبة الأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس (حوالي 3٪ للنطاق 300–400 نانومتر).”

لكن البديل قد لا يكون محفزًا أفضل، بل تحويل الضوء المرئي الأكثر وفرة إلى ضوء فوق بنفسجي، أو ما يُسمى “تحويل الفوتونات الصاعدة”.

ركز الباحثون على عملية تُسمى تحويل الفوتونات الصاعدة القائم على إبادية الثلاثية-الثلاثية (TTA-UC). في أبسط شرح لها، تُدمج فوتونين منخفضي الطاقة في فوتون واحد عالي الطاقة عن طريق امتصاصهما بواسطة جزيء مستقبل قبل إعادة انبعاثهما.

المصدر: Nature

تحسين استقرار تحويل الفوتونات الصاعدة

من السائل إلى البلورات

حتى الآن، فإن الطرق المستخدمة في تحويل الفوتونات باستخدام جزيئات مثل 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) و2,5-diphenyloxazole (PPO) تتمتع بنتاجات كمية جيدة (ΦUC)، لكن تقلب المذيب يشكل قيودًا حرجة لتطبيقات الأجهزة والاستخدام على المدى الطويل.

الحل العملي هو الحاجة إلى مواد مستقرة يمكن نشرها على نطاق واسع، مع صيانة قليلة أو معدومة، بحيث يمكن نشر حقول كاملة من محولات التحفيز الضوئي لإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع.

في البلورات والمستقبلات الصلبة، يمكن لظاهرة تُسمى إخماد الحالة الأحادية (singlet quenching) أن تقلل من النتاج الكمي.

استخدم الباحثون استبدال سلاسل ألكيل (إضافة سلاسل كربونية أطول) في الجزيئات العضوية المستخدمة كمستقبلات لزيادة كل من الاستقرار وتقليل حدوث إخماد الحالة الأحادية.

المصدر: Nature

قياس أداء البلورات

استخدم الباحثون جزيئًا يُدعى DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) مع نتاج كمي شبه كامل يبلغ 96٪ عندما يكون في الشكل السائل (محلول). لكن عادةً ما يتدهور النتاج بشكل كبير عندما يكون في الشكل البلوري.

عند إضافة سلاسل كربونية إضافية إلى الجزيء، يمكن للبلورة من DHI أن تصل إلى نتاج كمي يتراوح بين 64٪ إلى 69٪. تشير هذه النتائج العالية إلى أن جزيئات المانح موزعة بشكل موحد داخل بلورة المستقبل، مما يتيح تحفيز ثلاثي فعال.

المصدر: Nature

يمكن أيضًا إنتاج المادة باستخدام تقنيات تشكيل الأفلام البسيطة، مثل الصب في درجة حرارة الغرفة والطلاء الدوار، دون الحاجة إلى أي معالجة حرارية خاصة، مما يجعلها أكثر احتمالًا لتكون ذات صلة بأي تطبيق صناعي واسع النطاق في المستقبل.

العملية أيضًا تتحمل الأكسجين بل وتحتاجه، مما يعني أنها لا تحتاج إلى حدوثها في بيئة مغلقة وخالية من الأكسجين، وهو عنصر مهم آخر لتحقيقه في التطبيقات التجارية.

“يتم تشغيل TTA-UC عندما يُستهلك الأكسجين في النظام عبر تحويله إلى أكسجين أحادي. أظهر فيلم iBu-DHI/Ir(ppy)3 تحويلًا صاعدًا في الهواء حتى تحت إشعاع قوي (λdt = 370 nm، Iex = 2.0 W cm–2) لأكثر من ساعة واحدة.”

المصدر: Nature

يعتمد أداء البلورات عمومًا على البنية الدقيقة على المستوى الذري. لذا أجرى الباحثون أولاً حسابات نظرية لتحديد البنية المحتملة لهذه البلورات.

ثم اختبروا البلورة باستخدام تحليل البلورات بالأشعة السينية ووجدوا أن أنماط حيود الأشعة السينية للبلورات المفردة وتلك للأفلام المطلية بالدوار كانت متشابهة، مما يوضح سبب نجاح هذه الطريقة.

المصدر: Nature

هذا لا يعني أن البلورات لا يمكن تحسينها أكثر، حيث إن ارتفاع النتاج نظريًا ممكن باستخدام طريقة أكثر دقة للتحكم في إنشاء البلورات الفردية وتنظيمها في طبقة رقيقة.

“يمكن تحسين أداء نظام TTA-UC الصلب الحالي من الضوء المرئي إلى فوق البنفسجي بشكل أكبر من خلال تحسين بنية جزيء المانح واستخدام عملية تبلور مُتحكم فيها.”

التطبيقات المستقبلية

حاليًا، يهيمن إنتاج الهيدروجين على ما يُسمى “الهيدروجين الرمادي” المُنتج من الوقود الأحفوري، وجزء صغير لكنه متنامٍ يُصنع من الطاقة المتجددة، أو “الهيدروجين الأخضر”، الذي لا يزال يواجه صعوبة في أن يكون منافسًا اقتصاديًا للوقود الآخر.

في النهاية، فإن أخذ ضوء الشمس مباشرةً واستخدامه لإنتاج الهيدروجين، دون الحاجة إلى نقل طاقة هائل، أو بطاريات، أو كابلات، أو محفزات كهربائية، قد يقلل كثيرًا من السعر الإجمالي لمثل هذا التركيب. كما أن عدم وجود خطوات وسيطة سيحسن كفاءة الطاقة العامة لإنتاج الهيدروجين الأخضر، وهو مشكلة جدية في الطرق التي تستخدم التحفيز الكهربائي.

“مبدأ التصميم للكروماتوفورات DHI المحمية بالـπ والتي تم تطويرها في هذه الدراسة سيُوسّع على نطاق واسع لتشمل كروماتوفورات مختلفة. يتيح ذلك خصائص TTA-UC ممتازة في الأفلام الرقيقة التي تُحضّر بطرق الطلاء الدوار والرذاذ البسيطة، ممهداً الطريق لتطبيقات واسعة ومُعدًا لإحداث ثورة في الكيمياء الضوئية الوظيفية التي تشمل الثلاثيات المثارة.”

يمكن لمثل هذه المواد الصلبة الجديدة ذات الاستقرار الجيد أن تجعل المواد الضوئية من الجيل التالي قابلة للتسويق تجاريًا من خلال تحويل الفوتونات منخفضة الكثافة والمتوفرة إلى فوتونات فوق بنفسجية عالية الكثافة تُنتج الهيدروجين.

الاستثمار في الطاقة الشمسية المتقدمة

First Solar

حاليًا، تُنتج معظم ألواح الخلايا الضوئية في العالم في الصين، بفضل النظام البيئي الواسع للبلاد في إنتاج بوليسيليكون وتصنيع الخلايا الشمسية.

مع ذلك، توجد تقنيات أخرى غير الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون، وإحدى الشركات الناجية في صناعة الطاقة الشمسية في الغرب، First Solar، تتصدر هذا المجال باستخدام خلايا كادميوم تيلورايد الشمسية. فهي أسهل في الإنتاج (تقنية الأغشية الرقيقة) وتتمتع بكفاءة أعلى من الخلايا القائمة على السيليكون، رغم أن تكلفة موادها الخام أعلى.

هذا النوع من الخلايا أكثر متانة أيضًا، مما يمكن أن يغيّر المعادلة لكل من أصحاب المنازل وشركات المرافق عند حساب تكلفة الخلية الشمسية على مدار عمرها واستهلاكها. وهذا صحيح بشكل خاص مع تباطؤ التقدم السريع في إنتاجية الخلايا الشمسية وتراجع التكاليف خلال السنوات القليلة الماضية.

المصدر: First Solar

نظرًا لأن إنتاج خلايا كادميوم تيلورايد هو عملية تصنيع شبه مؤتمتة، فهو أقل حساسية نسبيًا لاختلافات تكاليف العمالة. يمكن أن يجعل ذلك إنتاجها في الدول الغربية أكثر تنافسية، خاصةً عندما تُباع محليًا، ويزيل تكاليف الشحن من المعادلة.

بدلاً من وجود عدة مصانع، كل منها متخصص في جزء مثل تنقية البوليسيليكون، ومع استغراق أيام عديدة لإنتاج خلية شمسية، يمكن لـ First Solar الانتقال من المواد الخام إلى المنتج النهائي في أقل من 4 ساعات.

المصدر: Department Of Energy

على المدى الطويل، تتوقع First Solar أن تكون قادرة على إعادة تدوير كادميوم تيلورايد بالكامل من الخلايا القديمة، أي 90٪ من إجمالي الخلايا الشمسية. ويتكون النسبة المتبقية من 5-10٪ من مخلفات الوحدات المعاد تدويرها أساسًا من جزيئات زجاجية دقيقة، يتم التقاطها بواسطة أنظمة التحكم في الغبار وأنظمة الترشيح الهوائي عالية الكفاءة (HEPA).

يمكن أن يقلل ذلك من تكاليف المواد، ويزيل التكلفة البيئية لاستخراج الموارد، ويزيل أي مخاطر تلوث.

“مع كل وحدة تُباع، نبيع أيضًا الخدمة التي نلتقط فيها الوحدات عند انتهاء عمرها ونعيد تدويرها. كان ذلك قبل حوالي 8 سنوات من دخول التنظيم في أوروبا. الآن لدينا توجيه النفايات الإلكترونية حيث تُعد الخلايا الضوئية جزءًا منه.” Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

إلى جانب كادميوم تيلورايد، تستكشف First Solar أيضًا تقنيات خلايا شمسية أكثر تقدمًا، مثل الخلايا البيروفسكايت وخلايا هجين كادميوم تيلورايد-بيروفسكايت، والتي قد تتمتع بكفاءة أعلى ومتانة أكبر.

على المدى الطويل، يمكن أيضًا تطبيق خبرة First Solar في إنتاج ألواح الفوتوفولطية ذات الأغشية الرقيقة على خلايا التحفيز الضوئي لإنتاج الهيدروجين.

بشكل عام، تُعد First Solar سهمًا ممتازًا للمستثمرين الذين يتطلعون إلى الاستثمار في طفرة الطاقة الشمسية مع التركيز على المنتجين الغربيين، بدلاً من المنتجين الصينيين الذين يتسمون بحساسية جيوسياسية أكبر.

(يمكنك قراءة المزيد عن First Solar في تقريرنا الاستثماري المخصص للشركة وعن الطاقة الشمسية في تقريرنا “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

أحدث أخبار وتطورات سهم First Solar (FSLR)

الدراسة المشار إليها

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://cleantechnica.com/2018/12/04/first-solar-breaks-down-its-plans-for-solar-module-recycling-spi2018/}