قضبان التيتانيوم النانوية: مستقبل الألواح الشمسية

كيف تعزز خصائص التيتانيوم المتفاعلة مع الضوء أداء الألواح الشمسية

التفاعل بين بعض المعادن أو العناصر المحددة والضوء هو بالفعل جزء مهم جدًا من العالم الحديث. وهذا واضح بالنسبة للسيليكون في الألواح الشمسية، ولكنه ينطبق أيضًا على العديد من المستشعرات والأجهزة الإلكترونية والعديد من المعدات الحساسة للضوء الأخرى.

إحدى هذه المعادن هي التيتانيوم. بينما يأتي الكثير من سمعة التيتانيوم من كونه نوعًا من “الفولاذ الفائق”، قويًا لكنه أخف وزنًا بكثير ومقاوم للتآكل، فإن هذا ليس في الواقع الاستخدام الرئيسي له.

ثنائي أكسيد التيتانيوم (TiO₂) يستهلك 95٪ من خام التيتانيوم الخام المستخرج ويُستخدم كصبغة بيضاء دائمة قوية في الدهانات والورق ومعجون الأسنان والبلاستيك. هذه الصبغة مقاومة لأشعة الشمس وغير نشطة كيميائيًا. يمكن لاحقًا خلطها مع مواد كيميائية لإنشاء ألوان زاهية ودهانات.

نفس الخصائص البصرية هي السبب في استخدامها أيضًا في واقيات الشمس، بفضل قدرتها على عكس وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية.

المصدر: Chemours

مثال آخر على الخصائص البصرية المذهلة للتيتانيوم هو البيروفسكايت، وهو نوع طبيعي من البلورات يتكون من أكسيد الكالسيوم والتيتانيوم (CaTiO3). خلايا البيروفسكايت الشمسية، التي تُعرف أيضًا باسم خلايا الأفلام الرقيقة الشمسية، يمكن تركيبها بالتزامن مع السيليكون أو كخلية شمسية مستقلة.

المصدر: Department Of Energy

لهذا السبب يبحث العلماء عن طرق لجعل التيتانيوم يتفاعل أكثر مع ضوء الشمس ومصادر الضوء الأخرى.

اكتشف الباحثون في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين والأكاديمية الصينية للعلوم طريقة جديدة لنمو مصفوفات قضبان نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂-NA) وأظهروا تطبيقها في خلايا شمسية عالية الأداء.

نشروا نتائجهم في المجلة العلمية Small Methods¹ تحت عنوان “كشف مبادئ النمو والضوء الكهروضوئي في مصفوفات قضبان TiO2 القابلة للتحكم في الكثافة لخلايا شمسية ذات كفاءة عالية”.

قضبان النانو المعدنية

عند الحديث عن التفاعلات الكيميائية أو البصرية، تكون السطح الفعلي للمعادن مهمًا. إذا كان أملسًا، فسيكون حجمه تقريبًا بحجم المادة كما تراه بعينيك.

ولكن إذا كان يحتوي على هياكل دقيقة أكثر تعقيدًا، يمكن أن يمتلك عشرات أو مئات المرات من السطح التلامسي، مما يعزز كفاءة وسرعة التفاعل المطلوب.

على سبيل المثال، هذا هو الطريقة التي يستخدم بها الباحثون قضبان النيكل النانوية لتحفيز إنتاج الهيدروجين دون معادن ثمينة مثل البلاتين الباحثون يستخدمون قضبان النيكل النانوية لتحفيز إنتاج الهيدروجين دون معادن ثمينة مثل البلاتين.

يمكن استخدام نفس الطريقة لإنشاء قضبان التيتانيوم النانوية، التي لا يتجاوز قطرها بضعة نانومترات.

المصدر: ResearchGate

من المعروف أن قضبان TiO₂ النانوية أحادية البلورة تتفوق في جمع الضوء ونقل الشحنة، مما يجعلها مثالية للخلايا الشمسية، والمحولات الضوئية، وأجهزة الاستشعار.

ومع ذلك، تكافح طرق التصنيع التقليدية للسيطرة على جميع المعلمات في آن واحد، مثل كثافة القضبان، القطر، والطول. على الأقل حتى الآن.

كيف يتم تحقيق نمو القضبان النانوية المتحكم فيه

حسّن الباحثون مرحلة يتم فيها تعريض الفيلم للمعالجة المائية الحرارية، حيث تتحول الجسيمات النانوية في الموقع إلى روتيل (شكل من أشكال ثاني أكسيد التيتانيوم).

المصدر: ResearchGate

إنها تعمل كبذور لنمو القضبان النانوية لاحقًا. توفر هذه الطريقة وسيلة فعالة للتحكم في كثافة القضبان دون تعديل أبعادها.

المصدر: ResearchGate

بهذه الطريقة، تمكن الباحثون للمرة الأولى من إنتاج قطر وارتفاع ثابتين للقضبان، حتى مع تغير عدد القضبان لكل مساحة.

المصدر: ResearchGate

قضبان التيتانيوم النانوية في كفاءة الخلايا الشمسية من الجيل التالي

تم دمج هذه القضبان النانوية في خلايا شمسية من نوع CuInS₂ (نحاس-إنديوم-كبريت) معالجة في درجات حرارة منخفضة. هذا النوع من الألواح الشمسية، لا يزال قيد التطوير، قد يكون بديلاً غير سام للأنصاف موصلات القائمة على الكادميوم.

المصدر: ResearchGate

حسّنت قضبان التيتانيوم النانوية من حجز الضوء في الخلية الشمسية، وفصل الشحنات، وجمع الحاملات.

وصلت الخلية الشمسية إلى كفاءة تحويل طاقة قدرها 10.44٪، وهو رقم قياسي جديد لهذا النوع من الخلايا الشمسية.

هذا لا يعني أن خلايا CuInS₂ الشمسية جاهزة بعد للتطبيقات التجارية، حيث أن الخلايا السيليكونية الأكثر شيوعًا أو حتى خلايا البيروفسكايت والأفلام الرقيقة القائمة على كادميوم-تيلوريد، جميعها تتمتع بكفاءة تتجاوز 20٪.

ومع ذلك، فإن التصميم واعد، حيث يمكن تصنيعه على نطاق واسع (بتحليل ومعالجة باستخدام طرق قائمة على المحلول) ويمكن نظريًا أن يكون فعالًا مثل خلايا السيليكون.

يمكن أيضًا دمج هذا النوع من المواد في تصاميم خلايا شمسية أخرى، كطبقة امتصاص الضوء الأساسية في تصميم أكثر تعقيدًا يضم عناصر أخرى.

مقارنة تقنيات الخلايا الشمسية

لفهم أفضل لمكان خلايا الشمسية CuInS₂ + TiO₂ النانوية، إليكم كيف تقارن مع الأنواع البارزة الأخرى:

الاستثمار في الطاقة الشمسية

First Solar هي أكبر شركة تصنيع ألواح شمسية في الولايات المتحدة وفي نصف الكرة الغربي بأكمله، وتملك مواقع تصنيع في الولايات المتحدة وماليزيا وفيتنام.

الشركة لا تستخدم تقنية السيليكون البلوري الكلاسيكية بل تعتمد على خلاياها الضوئية الرقيقة المملوكة لها. تعتمد على كادميوم-تيلوريد، فهي أكثر كفاءة، تُنتج بتكلفة أقل، ويمكن تصنيعها على نطاق واسع بسهولة. كما أن الألواح الشمسية الرقيقة أكثر متانة، حيث تحتفظ بـ 89٪ من أدائها الأصلي بعد 30 عامًا.

المصدر: First Solar

الكادميوم والتيلوريد هما منتجات ثانوية لتعدين معادن أخرى، مما يعني أن منتجات First Solar لها تأثير ضئيل، حيث تستخدم موارد لم تكن ذات فائدة سابقة. كما يمكن أن تتمتع الألواح الرقيقة بمعدل إعادة تدوير مرتفع.

الميزة التكنولوجية لشركة First Solar، إلى جانب موقعها الجغرافي، تجعلها المستفيد المحتمل من الدفع المتزايد للبلدان الغربية للحصول على ألواحها من خارج الصين.

تعمل الشركة على زيادة طاقة إنتاجها بسرعة، مستهدفة الوصول إلى قدرة اسمية تبلغ 25 جيجاواط بحلول عام 2026، مقارنةً بـ 11 جيجاواط حاليًا.

بينما تركز اليوم على إنتاج ألواح كادميوم-تيلوريد الشمسية الأكثر نضجًا، تستكشف First Solar تقنيات رقيقة أخرى عندما تصبح جاهزة للإنتاج على نطاق تجاري.

وقد أشارت بشكل ملحوظ في عرض المستثمرين إلى أن البيروفسكايت يجب أن يكون لديه “خط تطوير جاهز لإنتاج عينات تقنية من البيروفسكايت، محاكياً ظروف التصنيع”.

أنفقت First Solar ما مجموعه 2 مليار دولار في البحث والتطوير منذ تأسيسها.

بشكل عام، First Solar هي رائدة تكنولوجية ستستفيد من التعريفات الجمركية على الواردات الصينية، وهو ما قد يعوض الأثر السلبي لإعادة انتخاب ترامب على صناعة الطاقة الشمسية.

بينما تركز في الغالب على الألواح الشمسية الرقيقة باستخدام كادميوم-تيلوريد حتى الآن، فإن خبرتها في تصنيع الألواح الشمسية غير السيليكونية قد تمنحها ميزة كبيرة في البيروفسكايت أو غيرها من الألواح الشمسية القائمة على التيتانيوم، خاصةً بالنظر إلى علاقاتها العميقة مع بعض أبرز الباحثين في هذا المجال.

أحدث أخبار وتطورات سهم First Solar (FSLR)

الدراسة المشار إليها

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells. Small Methods. 22 أبريل 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}