اختراع تقنية جديدة قادرة على امتصاص طيف جديد من الأشعة الشمسية

كلما أصبحت الألواح الشمسية أقل تكلفة وأكثر قدرة على توليد الطاقة، كلما زاد الاعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر بديل للكهرباء باعتبارها أكثر قابلية للاستمرار تجارياً، ومع ذلك، فإن الخلايا الضوئية التي تستخدم حالياً لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء قادرة على استيعاب واستخدام جزء صغير فقط من هذا الضوء، وهذا يعني أن كمية كبيرة من الطاقة الشمسية تبقى غير مستغلة، لذا قام باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا باختراع تقنية جديدة، تم وصفها في بحث نشر بالنسخة الالكترونية من مجلة (Science Express)، تعمل على تسخير واستخدام الطاقة الغير مستغلة من قبل الخلايا  الضوئية.

تتكون أشعة الشمس من العديد من الأطوال الموجية للضوء، وتعمل الألواح الشمسية التقليدية على توليد الكهرباء من الضوء من خلال استقبال ذرات السيليكون لأشعة الشمس، حيث تعمل الإلكترونات الموجودة في الطبقة الخارجية لذرات السيليكون على امتصاص الطاقة من بعض الأطوال الموجية لضوء الشمس، وهذا يتسبب باستثارة الالكترونات، وبمجرد امتصاص الإلكترونات لطاقة كافية، تتحرر من ذرات السيليكون، وتتدفق بشكل مستقل لإنتاج الكهرباء، وتسمى هذه العملية بالتأثير الضوئي الجهدي (photovoltaic effect) وهي عملية مشابهة جداً للتأثير الكهروضوئي (photoelectric effect) إلا أن الفرق بينهما أنه في التأثير الكهروضوئي تتحرر الإلكترونات من المادة تحت تأثير أشعة ضوئية ذات طاقة معينة، أما في التأثير الضوئي الجهدي فإن الإلكترونات المتحررة تنتقل من مادة إلى مادة أخرى بحيث ينتج عن ذلك فرقاً في الجهد بينهما يؤدي إلى توليد الكهرباء.

إن الخلايا الضوئية القائمة على السيليكون تمتص موجات الضوء التي تدخل ضمن الطيف الضوئي المرئي – أي الضوء المرئي للعين البشرية – ولكن هذه الخلايا لا تستطيع امتصاص الأطوال الموجية التي تقع خارج الطيف المرئي، فمثلاً الأشعة تحت الحمراء تمر عبر خلايا السيليكون ولا يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية، وبالعادة فإن مرور الأشعة تحت الحمراء ضمن خلايا السليكون ينجم عنه طاقة حرارية غير مرغوب بها ولا يتم استخدامها.

يشير (هاري أتواتر)، بروفيسور الفيزياء التطبيقية وعلوم المواد في جامعة هوارد هيوز وقائد هذه الدراسة، بأن السيليكون يمتص جزء معين فقط من الطيف الضوئي، أما باقي الأطوال الموجية فتمر عبره وكأنه مادة شفافة، فلو تم وضع وحدة ألواح شمسية تقليدية على سطح منزلي، فإن السيليكون يمتص جزء فقط من الطيف، أما باقي الطيف الضوئي فلا يتم تحويله إلى طاقة، بل يؤدي فقط إلى تسخين سطح المنزل.

بناء عليه قام (أتواتر) وزملاؤه بإيجاد طريقة لامتصاص الموجات الضوئية تحت الحمراء والاستفادة منها، وذلك باستخدام هيكل لا يتألف من السيليكون، ولكن من المعدن، وتستند هذه التقنية الجديدة على ظاهرة لوحظت في الهياكل المعدنية اسمها (صدى سطح البلازمون)، فالبلازمونات هي موجات أو تموجات منسقة من الإلكترونات الموجودة على أسطح المعادن في النقطة التي يلتقي فيها المعدن مع الهواء.

وجد (أتواتر) وزملاؤه أنه يمكن ضبط الصدى ليستطيع التقاط موجات ضوئية أخرى وذلك في حال تم تقسيم المعادن إلى قطع نانوية صغيرة في المختبر، فعادة تكون كثافة الالكترونات في المعادن مثل الفضة أو النحاس أو الذهب محددة، ولكن في المختبر، يمكن إضافة إلكترونات إلى ذرات النانو المعدنية، وعند استثارة هذه الالكترونات، فإن تردد الصدى الذي يصدر عنها سيتغير، وإن هذه الأسطح المعدنية المستثارة يمكن أن ينتج عنها قوى كهربائية كامنة، بمعنى آخر فإن القوة الكامنة التي تنتج عن استثارة الأسطح المعدنية تشبه تماماً القوة الكامنة التي تنتج عند فرك قضيب زجاجي بقطعة من الفراء، حيث يتم بهذه الحالة تخزين الإلكترونات على القضيب الزجاجي، ويتم تصريف الشحنة عن طريق صدمة كهربائية خفيفة، وبالمثل فإن استثارة السطوح المعدنية النانوية بالقرب من مستوى الصدى سيشحن الهياكل المعدنية بقوى كهربائية كامنة يمكن قياسها، وهذه القوى الكامنة هي الخطوة الأولى لتوليد الكهرباء، ويعمل الباحثون حالياً على تطوير طريقة لإنتاج تيار ثابت من هذه القوى الكهربائية الكامنة، بحيث يتم استعمال الخلايا الشمسية التي تعمل بتأثير كهرباء البلازمون جنباً إلى جنب مع الخلايا الضوئية التقليدية، لامتصاص واستخدام الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء لتوليد الكهرباء.

يقول (أتواتر) أخيراً، أن هذا الاختراع مثله مثل باقي الاختراعات أو الاكتشافات التكنولوجية، لا يمكن التنبؤ بمستقبلها، ولكن أي اختراع يمكنه على سبيل المثال أن ينشئ جهاز استشعار جديد للضوء قادر على التقاط أطوال موجية أخرى، فإنه لا بد بأن يساهم في إيجاد نوع من المنتجات الجديدة الأكثر كفاءة من المنتجات التي سبقته.