سولارابيك – الولايات المتحدة الأمريكية – 20 أكتوبر 2020: نشرت مجلة «أوبتكا – Optica» العلمية الموثوقة التابعة لجمعية البصريات الأمريكية «OSA» ورقة بحثية لمجموعة من الباحثين من عدة دول تتحدث عن امكانية تعظيم امتصاص الضوء وحبسه في الخلايا الشمسية بنسبة تصل حتى 125% باعتماد تصميم جديد للخلايا الكهروضوئية يشبه رقعة الشطرنج.
ملخص الدراسة
أظهرت الدراسة أن امكانية تعظيم الامتصاص عن طريق حفر نمط صغير من الخطوط الشبكية مثل تصميم رقعة الشطرنج على الخلايا الشمسية مما يساعد على تعزيز التيار الناتج عن السيليكون البلوري (c-Si) بمقدار 125 %.
وركز الباحثون على تحديد الاعتبارات النظرية الأساسية التي من شأنها تمكين نمط محسن للتشتت وانحراف ضوء الشمس بدلاً من النظر في تصميمات هيكلية جديدة تعتمد على القوام الطبيعي أو الخوارزميات الحسابية، حيث كان هدفهم جعل الخلية الشمسية تمتص المزيد من الطاقة عن طريق حبس المزيد من ضوء الشمس، مع تقليل انعكاسها.
تصوير الترتيبات المختلفة للعناصر الكاسرة للضوء (المجالات الضوئية) في الهياكل الشبكية المربعة
- يرتكز الهيكل الذي يشبه الوردة (على اليسار) والمتعرج (في الوسط) على نفس العنصر الانكساري، أي سطح أحادي، والذي تم تدويره بمقدار 90 درجة أربع مرات.
- ينتج هيكل رقعة الشطرنج (على اليمين) من تبسيط سطح أحادي كسبيكة خطية غير معالجة، ونظراً لأن جميع المجالات الضوئية تحتوي على عنصر واحد، فإن خلية الوحدة الحسابية في هذه الحالة تضم أربعة عناصر.
لقد وجدنا حيلة بسيطة لزيادة امتصاص الخلايا الشمسية الرقيقة. تظهر تحقيقاتنا أن فكرتنا تنافس في الواقع تحسين الامتصاص لتصميمات أكثر تعقيدًا بينما تمتص أيضًا المزيد من الضوء في عمق السطح وضوء أقل بالقرب من بنية السطح نفسها.
تجربة تصميم رقعة الشطرنج
كشفت عمليات النمذجة الخاصة بالباحثين بأن الخطوط المحززة، المرتبة في بنية دورية بسيطة شبه عشوائية، تحسن أداء المجال الضوئي.
قام الفريق البحثي في إحدى التجارب بمحاكاة أداء مجال ضوئي بنمط رقعة شطرنج، مصنوع من لوح سيليكون بلوري بسماكة 1 ميكرومتر فقط (أرق بكثير من خيط من نسيج العنكبوت)، وقاموا بمقارنته بأنواع أخرى من تصميمات الخلايا الشمسية بما في ذلك خلية مستوية عادية وخطوط مقضبة رأسية وخطوط متقاطعة وغيرها.
وأظهرت النتائج أن لوحة الشطرنج ذات التدوير العشوائي لوحداتها المتكررة تولد تياراً أكثر من أي من الخلايا المنافسة، حيث تولد حوالي 125 % مثل الخلية الشمسية التقليدية بدون تصميم خط مقضب.
ويرى الفريق أن تصميم رقعة الشطرنج يمكن أن يكون أسهل في التصنيع على النطاق الصناعي، وأيضاً أكثر قوة من أنماط الخلايا الشمسية ذات البنيات النانوية الأخرى الأكثر تعقيداً بسبب بساطته المتأصلة.
وفر هذا التصميم إمكانية زيادة دمج الخلايا الشمسية في مواد أرق ومرنة وبالتالي خلق المزيد من الفرص لاستخدام الطاقة الشمسية في المزيد من المنتجات."
آثار تصميم رقعة الشطرنج
يرى الباحثون أن مبادئ تصاميمه المنشورة في هذا البحث يمكن أن تؤدي إلى تأثيرات إيجابية في تصاميم الخلايا الشمسية وأيضاً في المجالات ذات الصلة التي تعتمد على الوظائف الفيزيائية الغير مستقرة مثل حيود الضوء (انحراف الضوء)، حواجز الصوت، و مقاومة الألواح للرياح، الأسطح المضادة للانزلاق.
وأشاروا أيضا إلى أن فعالية تكلفة الموارد المستخدمة في تصنيع الخلايا يمكن أن تزيد بمقدار 10 أضعاف، عند تصنيع مثل هذه الخلايا الشمسية الرقيقة.
من حيث المبدأ سنستخدم 10 أضعاف الطاقة الشمسية بنفس الكمية من مادة الامتصاص.
يمكن للخلايا الشمسية الأرق بعشر مرات أن تمكن من التوسع السريع للخلايا الكهروضوئية، وزيادة إنتاج الكهرباء الشمسية، وتقليل بصمتنا الكربونية بشكل كبير.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوما مشمساً!
المصدر: osapublishing/ sciencealert
