ما هي الخلايا الشمسية نقطة الكم؟

- Jun 21, 2019-

النقطة الكمومية   الخلايا الشمسية هي خلايا شمسية مبنية على شبكة من البلورات المصنعة بمقياس النانومتر والتي لها القدرة على التفوق على التقليدية   الخلايا الشمسية   التقنيات بسبب وجود قيود أساسية على كيفية التقاط الخلايا الشمسية لأشعة الشمس. تم بناء الخلية الشمسية القياسية على طبقة من المواد الأكثر فعالية في التقاط شريط معين أو طول موجة من الضوء. ومع ذلك ، يمكن إنشاء النقاط الكمومية في الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية لالتقاط نطاقات متعددة من الضوء من خلال تغيير حجمها وتركيبتها الكيميائية في عملية التصنيع. وهذا يجعل مجموعة من أنواع مختلفة من النقاط الكمومية على طبقة واحدة من   المادة المتفاعلة   يحتمل أن تكون قادرة على التقاط مجموعة واسعة من الأطوال الموجية الخفيفة ، مما يجعلها أكثر كفاءة واقتصادية لإنتاج من الخلايا الشمسية القياسية.

الحد الفني لتحويل أشعة الشمس إلى   طاقة كهربائية   مع مادة الخلايا الشمسية تتكون من نوع واحد من التركيب الكيميائي هو نظريا كحد أقصى 31 ٪. إلا أن الخلايا الشمسية التجارية اعتبارًا من عام 2011 لا تتمتع إلا بمستوى كفاءة عملي يتراوح من 15٪ إلى 17٪ عند أقصى مستوى لها. تجري الأبحاث منذ عقود للعثور على تحسينات في تكنولوجيا الخلايا الشمسية من عدة نقاط ، مثل تقليل تكلفة المواد الضوئية التي تعتمد على درجة نقاء عالية   السيليكون   عن طريق استبدال مرنة   البوليمر   والركائز المعدنية. وقد ركزت أبحاث الخلايا الشمسية أيضًا على التقاط مجموعة واسعة من فجوة الشريط من الضوء ، سواء من خلال تكديس طبقات مختلفة من مواد الخلايا الشمسية أو   هندسة   بلورات فريدة من نوعها ، والمعروفة باسم النقاط الكمومية ، على طبقة واحدة من الخلايا الشمسية. جميع الأساليب لها عيوبها ، وتحاول الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية أيضًا الاستفادة من مزاياها حيثما أمكن ذلك.

تعتمد التكنولوجيا الناشئة للخلايا الشمسية الكمومية على الفيزياء والكيمياء للنقاط الكمومية نفسها ، ولكنها تشمل أيضًا مبدأ الخلية الشمسية متعددة الطبقات ، والقدرة على دمج هذه المكونات في خلية أكثر سهولة التصنيع ، ويحتمل الركيزة مرنة. من الناحية المثالية ، تهدف التكنولوجيا إلى إنتاج ما يُعرف بخلية شمسية كاملة الطيف ، قادرة على التقاط ما يصل إلى 85٪ من الضوء المشع والمرئي وتحويلها إلى كهرباء ، وكذلك التقاط بعض الضوء في   الأشعة تحت الحمراء   والعصابات فوق البنفسجية. وصلت مخرجات الطاقة لهذه الخلايا الشمسية إلى 42 ٪ من الكفاءة في المختبر اعتبارا من عام 2011 ، وتشمل الجهود الحالية إيجاد هياكل كيميائية عملية وفعالة من حيث التكلفة لمثل هذه التكنولوجيا بحيث يمكن إنتاجها على نطاق واسع.

ركزت مقاربات الجيل التالي من الخلايا الشمسية على الفجوة الثلاثية أو نموذج الوصلات المتعددة ، حيث تترابط طبقات مختلفة من سبائك أشباه الموصلات من نترات الغاليوم - الزرنيخيد. استخدم مركب كيميائي آخر متعدد الوصلات مادة الزنك والمنغنيز والتيلوريوم   يتم تصنيع الخلايا الشمسية المصنوعة من السبائك والنقاط الكمومية أيضًا من كبريتيد الكادميوم على ركيزة من ثاني أكسيد التيتانيوم مغلفة بجزيئات عضوية لتوصيل الركيزة المعدنية والنقاط الكمومية. تتضمن الاختلافات الأخرى على طبقات فجوة النطاق الثلاث البحث باستخدام فوسفيد الإنديوم - الغاليوم - الإنديوم - الغاليوم - الزرنيخيد - الجرمانيوم. يبدو أن العديد من التركيبات الكيميائية تعمل ، ويبدو أن حجم الجزيئات المستخدمة في العملية ، مثل طبقة الترابط العضوي ، له تأثير مباشر أكبر على كفاءة الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية لالتقاط طيف واسع من الضوء عن الكيمياء الفعلية للمواد نفسها. ومع ذلك ، فإن الطبقات الموجودة في خلية شمسية متعددة الوصلات ، بما في ذلك النقاط الكمومية نفسها ، يجب أن يكون سمكها في كثير من الأحيان أقل من نانومترين ، الأمر الذي يتطلب مستوى دقيقًا للغاية من الدقة لإنتاج تلك المنشآت التي تعمل على تصنيع معالجات الذاكرة والرقاقة الدقيقة فقط. قادرة على نطاق واسع.

الهدف من أبحاث الخلايا الشمسية الكمومية هو جعل الخلايا الشمسية أكثر كفاءة وأقل تكلفة للتصنيع. من الناحية المثالية ، سيتم بناؤها على مواد البوليمر المرنة بحيث يمكن رسمها على المباني أو استخدامها كطلاء للإلكترونيات المحمولة. عندها سيكونون أيضًا قادرين على الحياكة في أقمشة اصطناعية للملابس والتنجيد في السيارات. هذا من شأنه أن يعطي تكنولوجيا الخلايا الشمسية تطبيقات واسعة النطاق في توليد الكهرباء التي يمكن أن تكمل أو تحل محل الحاجة   الحجري   استخدام الوقود للعديد من احتياجات المستهلك الشائعة بما في ذلك التحكم في المناخ ، والاتصالات ، والنقل ، والإضاءة. تم إنشاء مثل هذه الخلايا الشمسية في المختبر في الولايات المتحدة وكندا واليابان ودول أخرى ، ومن المحتمل أن تستحوذ أول شركة على طريقة لإنتاج كميات كبيرة غير مكلفة من التكنولوجيا على سوق عالمية لأنها ذات نطاق غير مسبوق.