هل يمكن أن يؤدي الاستفادة من التقلبات الكمومية إلى إنتاج ألواح شمسية أكثر كفاءة؟

إذا كان العلماء على حق، فقد يكون العالم كذلك على شفا أزمة مناخية. وفي هذه الحالة، يجب القيام بشيء ما عاجلاً وليس آجلاً لمعالجة هذه المشكلة. بالنسبة للكثيرين، تظل الثمار الدانية لمكافحة تغير المناخ بمثابة انتقال بعيدًا عن اعتمادنا على الوقود الأحفوري كمصدر للطاقة نحو خيارات أكثر استدامة مثل الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية. ومع ذلك، لكي يحدث هذا بالفعل، يجب بذل جهود متضافرة لتطوير التكنولوجيا وراء هذه البدائل. ولحسن الحظ، فإن الباحثين يعملون بجد بالفعل، مع العديد من الأبحاث الحديثة دراسات مما يشير إلى مستقبل مشرق للخلايا الكهروضوئية، مما يجعل حصاد الطاقة الشمسية ممكنا.

الرنانات ربطة العنق

وقد نجحت إحدى الدراسات المذكورة أعلاه في رسم ملامح مستقبل يمكن فيه لـ "رنانات ربطة العنق" أن تصنع نفسها ذاتيا من خلال الاعتماد على التقلبات الكمية.

رنانات ربطة العنق هي نوع من الهياكل التي تم إعدادها لاستخدامها داخل الخلايا الكهروضوئية من الجيل التالي، والتي تم بناؤها بهدف محاصرة الضوء داخل فراغ مغلق. والغرض من ذلك هو زيادة وقت الاتصال بين الضوء المحاصر وأي وسيلة يتم استخدامها لنقل/التقاط الطاقة. ومن المثير للاهتمام أن رنانات ربطة العنق سُميت بهذا الاسم نظرًا لشكلها الذي يشبه ربطة العنق.

عادة، في حالة عدم وجود تسرب، كلما كان الرنان أصغر، كلما كان أكثر فعالية في محاصرة الضوء - مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة والتقاط الطاقة. ولسوء الحظ، فقد وصلنا إلى نقطة زمنية وصلت فيها تقنيات التصنيع التقليدية إلى الحد الأقصى تقريبًا. وهنا يأتي دور الدراسة، التي سعت إلى الاستفادة من التقلبات الكمية التي تنتج عن القوى الأساسية المعروفة باسم،

• تأثير كازيمير
• قوات فان دير فال

كان الهدف الأساسي من هذا هو توجيه عملية التصنيع الذاتي لمرنان أصغر بكثير مما هو ممكن حاليًا على نطاق واسع. وكانت النتيجة تقدمًا ملحوظًا وناجحًا في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات، حيث تمكن الفريق من الاستفادة من قوى كازيمير-فان دير فالس لتحقيق "التجميع الذاتي الحتمي" للهياكل النانوية السيليكونية المعلقة، والنجاح في إنشاء فراغ مرنان نانوي.

ببساطة، بدلًا من محاولة بناء مرنان بهذا الحجم الصغير، بنى الفريق نصفين واعتمدوا على التقلبات الكمومية لدمجهما معًا عند وضعهما على مقربة شديدة من بعضهما البعض. وتشير الورقة البحثية إلى أن "وعلى النقيض من ذلك، كان لتكنولوجيا أشباه الموصلات المستوية تأثير تكنولوجي هائل، وذلك بسبب قابليتها المتأصلة للتوسع، ومع ذلك يبدو أنها غير قادرة على الوصول إلى الأبعاد الذرية التي يتيحها التجميع الذاتي.

ماذا يعنى ذلك؟

إن آثار هذه التكنولوجيا بعيدة المدى، مع تطبيقات محتملة في مختلف المجالات. ال ورقة ويوضح هذا الأمر، موضحًا ما يلي.

"بينما يعرض عملنا التجميع الذاتي للتجاويف الضوئية مع احتجاز يتراوح بين قليل إلى أقل من نانومتر، يمكن تطبيق طريقتنا في مجال أوسع بكثير من البحث والتكنولوجيا، على سبيل المثال، تسلسل ثقب النانو في الحالة الصلبة، أو أقطاب نفق الكم النانوية أو أقنعة ظل فائقة الجودة للأجهزة الإلكترونية الكمومية فائقة التوصيل.

وبشكل أعم، يفتح عملنا آفاقًا لاستكشاف أنظمة جديدة للضوئيات والإلكترونيات والميكانيكا على المقاييس الذرية بينما يتيح في الوقت نفسه تكاملًا قابلاً للتطوير ومتوافقًا ذاتيًا مع بنيات الرقائق واسعة النطاق.

يعد التجويف المقترن بالدليل الموجي الذي تم تجميعه ذاتيًا مثيرًا للاهتمام بشكل خاص فيما يتعلق بالتفاعل المعزز مع المادة الضوئية، مما قد يتيح تشغيل الأجهزة على مستويات الفوتون الواحد وتسهيل مستويات جديدة من الكفاءة لم نشهدها بعد في الخلايا الكهروضوئية.

الخلايا الكهروضوئية ذات الاتصال الخلفي

والجدير بالذكر أن هذا ليس التقدم الوحيد الذي قد يغير قواعد اللعبة في الأسابيع الأخيرة فيما يتعلق بالخلايا الكهروضوئية. 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

في جوهرها، هذه تقنية تصنيع مبتكرة تُقلل بشكل كبير من "تأثير التظليل" في الخلية الكهروضوئية عن طريق إعادة وضع نقاط التلامس الكهربائية على جانبها الخلفي. هذا يعني أن وسيط تجميع الطاقة المُستخدم قادر على توفير مساحة سطح أكبر، والتي يمكن للضوء المُلتقط التفاعل معها. كما يسمح هذا النهج بتصغير حجم الخلايا بشكل كبير، مما يعني كفاءة وفعالية أكبر من حيث التكلفة.

تطبيقات بديلة

ومن المثير للاهتمام أن هذه الإنجازات التي تمت مناقشتها مهمة لأكثر من مجرد تسخير الطاقة الشمسية. وقد يشيرون أيضًا إلى مسار للأمام بالنسبة لتكنولوجيا النانو بشكل عام من خلال إظهار جدوى الاستفادة من التقلبات الكمومية والقوى الأساسية مثل تأثير كازيمير وقوى فان دير فالس.

من شأن المواد الموجهة للتصنيع الذاتي أن تفتح مجالًا جديدًا من الإمكانيات في علوم المواد التي من شأنها أن تؤثر بشكل عميق على كل صناعة تقريبًا. وهذا يعني مواد بناء أخف وأقوى، وإلكترونيات مصغرة، وأدوية أكثر فعالية، وتسليم الأدوية المستهدفة، والمزيد.

وخلاصة القول هي أن تكنولوجيا النانو قد تؤدي ذات يوم إلى إحداث تحول جذري في هذه الصناعات، مما يجعلها مجالاً آسراً وواعداً بشكل خاص للاستكشاف العلمي والتكنولوجي. ومع ذلك، فمن المهم أن ندرك أن الرنان الموجه والمُصنع ذاتيًا هو مجرد خطوة واحدة من الماراثون.

لاعبين الصناعة

على الرغم من أنه قد يستغرق الأمر بضع سنوات قبل أن نرى رنانات ربطة العنق وخلايا الاتصال الخلفية ذاتية التجميع المستخدمة في تطبيقات العالم الحقيقي، إلا أن هذه هي أنواع التطورات المبتكرة التي ستكون ضرورية إذا كنا نتوقع تجنب، أو على الأقل التخفيف من، احتمالات حدوث ذلك. أزمة المناخ التي نواجهها بالفعل. مع أخذ ذلك في الاعتبار، فيما يلي بعض الشركات المتداولة علنًا والتي تشارك بشكل كبير في نمو صناعة الطاقة الشمسية والتكنولوجيا التي تجعل ذلك ممكنًا.

*الأرقام الواردة أدناه دقيقة في وقت كتابة هذا التقرير وهي عرضة للتغيير. يجب على أي مستثمر محتمل التحقق من المقاييس*

1. NextEra لموارد الطاقة

(NEE )

شركة نيكست إيرا إنرجي ريسورسز هي أكبر شركة للطاقة النظيفة في أمريكا الشمالية، وهي رائدة في إنتاج طاقة الرياح والطاقة الشمسية. تُطوّر الشركة وتُنشئ وتُشغّل مشاريع الطاقة الكهربائية، بما في ذلك أكثر من 150 مركزًا عالميًا لطاقة الرياح والطاقة الشمسية في 26 ولاية أمريكية وأربع مقاطعات كندية، تُولّد أكثر من 17,000 ميجاواط من طاقة الرياح والطاقة الشمسية.

2.  الطاقة الشمسية الأولى

(FSLR )

تقوم شركة First Solar بتصميم وتصنيع أنظمة الطاقة الشمسية والوحدات الشمسية باستخدام تكنولوجيا أشباه الموصلات ذات الأغشية الرقيقة. كما أنها توفر خدمات داعمة مثل التمويل والبناء والصيانة وإعادة تدوير الألواح عند انتهاء عمرها الافتراضي

3. SolarEdge تكنولوجيز

(SEDG )

تعد شركة SolarEdge Technologies شركة عالمية رائدة في مجال تكنولوجيا الطاقة الذكية. ويقدم حلولاً للطاقة الكهروضوئية والتخزين وشحن السيارات الكهربائية والبطاريات وإمدادات الطاقة غير المنقطعة وخدمات الشبكة. وتشتهر الشركة بحل العاكس المحسّن لـ SolarEdge DC، والذي يزيد من توليد الطاقة مع تقليل تكلفة الطاقة التي تنتجها الأنظمة الكهروضوئية.

الخلاصة

إن التقدم في تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية، وخاصة تطوير الرنانات ذاتية التجميع والخلايا الكهروضوئية ذات الاتصال الخلفي، يمثل خطوة كبيرة في التصدي للتحديات الملحة لتغير المناخ. وتمثل هذه الابتكارات أكثر من مجرد تقدم علمي؛ إنها خطوات حاسمة نحو تحقيق مستقبل الطاقة المستدامة.

ومع اقتراب هذه التكنولوجيات من التبني على نطاق واسع، فإنها تحمل الوعد بجعل الطاقة الشمسية أكثر كفاءة، وأكثر فعالية من حيث التكلفة، ويمكن الوصول إليها، وبالتالي تسريع التحول بعيدا عن الوقود الأحفوري. ولا يتوافق هذا التقدم في تكنولوجيا الطاقة الشمسية مع الأهداف البيئية فحسب، بل يؤكد أيضًا على إمكانية أن تصبح الطاقة المتجددة مصدرًا عمليًا ومهيمنًا للطاقة في المستقبل القريب.