الخلايا الشمسية النانونية والطلب العالمى
على الطاقة
بالنظر
إلى تكنولوجيا النانو بتكنولوجياتها الرئيسية والفرعية على مشكلة الطاقة حيث توفر
تكنولوجيا النانو عددا من الحلول التكنولوجية القادرة على رفع كفاءة استخدام
الطاقة وخفض تكلفة إنتاجها وتشغيلها لتلائم كافة التطبيقات الحياتية والصناعية حيث
توفر إمكانات تكنولوجيا حاسمة وقفزات تطبيقية عملاقة تعمل على تعزيز وتطوير كفاءة
الطاقة وخفض تكلفتها من خلال توفير عدد من الحلول التكنولوجية وتكنولوجيات الإنتاج
.
وفى عام
( 2019 ) فإنه من المرجح أن تؤتى المساهمات الضخمة لتكنولوجيا النانو فى مجال
الطاقة المتجددة ثمارها وأن تحقق للبشرية طموحها فى الحصول على الطاقة النظيقة
بأسعار معتدلة .
إحتياج
البشرية لاستهلاك الطاقة :
يزداد
الطلب العالمى على الطاقة حيث بلغ الاستهلاك العالمى للطاقة فى عام ( 2008 ) ما
قيمته
( 474
إكسا جول ) الإكسا = ما قيمته مليار مليار
الجول = وحدة قياس الطاقة .
فإنه من
المتوقع أن يزداد الطلب العالمى على الطاقة ليصل إلى نحو ( 750 إكسا جول ) فى عام
( 2030
) ويتم الاعتماد حاليا على الوقود الأحفورى لتغطية أكثر من ( 80 % ) من إحتياجات
العالم من الطاقة الأولية ( يطلق على المصادر الطبيعية للطاقة كزيت البترول الخام
/ الفحم / الغاز
الطبيعى
/ اليورانيوم / أشعة الشمس / الرياح .
أما
الطاقة الثانوية للتعبير عن شكل المنتج الذى يتم توجيهه إلى المستخدم كالكهرباء
والبنزين والسولار .
أما
الطاقة النافعة على صور الطاقة التى يتم الانتفاع بها فى الأغراض المختلفة
كالإضاءة والتسخين والتدفئة والقدرة .
وتتباين
دول العالم فى طلبها على الطاقة حيث يرتبط الإحتياج بنمط وطبيعة الحياة وعدد
السكان والمواريث الثقافية والتقاليد الاجتماعية واختلاف المستوى الاقتصادى من بلد
إلى آخر
الطاقة
التقليدية والطاقة المتجددة :
يعتبر
الوقود الإحفورى حاليا بتغطية نحو ( 80 % ) من الطلب العالمى على الطاقة وبالرغم
أن الطاقة النووية قد أصبحت تغطى جانبا لا بأس به من الطلب العالمى على الطاقة حيث
أن مصادر خامات المواد النووية المستخدمة لتخليق الوقود النووى .
وعلى
الرغم من توافر مصادر ضخمة ومتنوعة من الطاقة المتجددة كالشمس والرياح والمياه
والمد والجزر .
تكنولوجيا
النانو :
توفر
تكنولوجيا النانو الوسائل والأدوات التكنولوجية المتميزة التى تعطى للبشرية ترسيخ
صناعات جديدة ومتقدمة تجتمع على عناصر الفعالية والبعد الاقتصادى .
يقصد
بعلم النانو ذلك العلم الذى يعتنى ويهتم بدراسة وتوصيف المواد النانونية التى
تتراوح مقاييس أبعادها ما بين ( 1 : 100 نانومتر )
النانومتر
= وحدة قياس الأبعاد يساوى ( 1 : مليار من المتر )
وتعيين
خواصها الكيميائية والفزيائية والميكانكية مع دراسة الظواهر الناشئة عن تصغير
أحجامها .
فإن
تعريف تكنولوجيا النانو هو التكنولوجيا المتقدمة القائمة على تفهم ودراسة علم
النانو والعلوم الأساسية الأخرى تفهما عقلانيا وإبداعيا مع توافر المقدرة
التكنولوجية على تخليق المواد النانونية والتحكم فى بنياتها الداخلية عن طريق
إعادة هيكلة وترتيب الذرات والجزيئات المكونة لها مما يضمن الحصول على منتجات
متميزة كى توظف فى التطبيقات المختلفة
وتختلف
الخواص الفزيائية والكيميائية والميكانيكية للمواد نانونية الحبيبات عن نظيرتها
ذات الحبيبات الكبيرة اختلافا جذريا مما يسمح فرص استغلالها فى تصنيع أجهزة
ومنتجات غير نمطية
ولقد
حظيت تكنولوجيا النانو بالإهتمام والترقب التى تعتبر تكنولوجيا ق ( 21 ) من أجل
التقدم والإنماء الاقتصادى القائم على العلم والمعرفة .
تكنولوجيا
النانو والطاقة المتجددة :
لا
يقتصر دور تكنولوجيا النانو فى مجال الطاقة على تطوير وتحسين استغلال مصادر الطاقة
المتجددة كالشمس والرياح والمياه والمد والجزر بل يمتد دورها إلى تحسين
التكنولوجيات الخاصة فى استغلال مصادر الطاقة التقليدية كطلاء وتغليف رؤوس أدوات
الحفر المستخدمة فى عمليات حفر آبار البترول والغاز الطبيعى بطبقة نانونية السمك
مؤلفة من حبيبات المواد عالية الصلابة مما يعمل على زيادة مقاومة رؤوس الحفارات
لعوامل البرى والتآكل التى تتعرض لها الحفارات
نتيجة اختراقها لطبقات الصخور الصلبة خلال عمليات الحفر ووقايتها من التآكل عن
طريق الصدأ .
وتستخدم
المواد المحفزة النانونية كمحفزات فعالة حيث تستخدم بكفاءة فى عمليات تكرير زيت
البترول الثقيل وتخليصه من الشوائب العنصرية التى تقلل من جودته كالكبريت كذلك
تستخدم أنواع لبعض الحبيبات النانونية فى عمليات تحسين إنتاجية آبار البترول .
وبعد
كارثة التسرب الإشعاعى الذى تسرب من المفاعلات النووية فى ( هوكوشيما ) باليابان
بعد حدوث زلزال مدمر أعقبته موجات ( تسونامى ) فى مارس من عام ( 2011 ) أهمية
استخدام وتطوير المواد المتراكبة نانونية الحبيبات فى تغليف ودهان الحوائط
الداخلية للمفاعلات النووية بحيث تكون دروعا واقية تصد وتمتص أى تسريبات إشعاعية قد
تنتج خلال تشغيل المفاعلات أو تعرضها لأية كوارث من فعل الطبيعة لتمنع التسرب من
داخل المفاعل النووى .
الخلايا
الفوتوفولطية :
إن
تطبيقات تكنولوجيا النانو فى مجال تطوير الخلايا الشمسية ( الخلايا الفوتوفولطية )
أو (
الخلايا الكهروضوئية ) .
س : ما
هى الخلايا الشمسية ونشأتها التاريخية ؟
ج : صنعت الخلايا الشمسية من مواد لأشباه
الموصلات ( عنصر السيليكون ) الموجود فى الصحارى بكثرة لا متناهية وهى أجهزة تقوم
بتحويل فوتونات الأشعة الشمسية إلى تيار كهربى مستمر تحويلا مباشرا حيث تستمر
الخلايا فى آداء مهمتها بكفاءة طالما يستمر المصدر الضوئى والذى بدونه تتوقف عن
عملها .
أجيال
الخلايا الفوتوفولطية :
بالرجوع
إلى تكنولوجيات التصنيع وأنواع المواد المستخدمة فى إنتاج الخلايا الكهروضوئية
قإنه يمكن تصنيف هذه الخلايا إلى ( 3 ) أجيال :
1 ) إن
ظاهرة تحوبل الضوء إلى كهرباء بواسطة الخلايا الكهروضوئية ليست جديدة بل يرجع
تاريخ اكتشافها إلى العالم الفرنسى ( أدمون بيكريل ) فى عام ( 1839 ) .
ولم
تعرف هذه الخلايا طريقها إلى التطبيق الفعلى إلا بعد ( 100 سنة ) حين تمكن
الباحثون بمعمل ( بل ) فى عام ( 1954 ) من ابتكار خلايا كهروضوئية قائمة على
بلورات السيليكون بحيث أن كفاءة الخلية الواحدة تبلغ ( 4 % ) إلا أنها قد فتحت
أبواب البحث والتطوير فى مجال إنتاج خلايا مصنعة من رقائق السيليكون بحيث تكون
أكثر كفاءة وفاعلية فى تحويل الضوء إلى تيار كهربى .
وخلال
ال ( 50 سنة ) تم تطوير الخلايا ومضاعفة كفاءتها مقتربة من الحد النظرى إلى
( 31 %)
لهذا النوع من الخلايا ( خلايا الجيل الأول أحادية الوصلات ) .
ترى بعض
المدارس العلمية بأن رقائق السيليكون ليست بالمادة المثالية حتى يمكن الاعتماد
عليها فى إنتاج خلايا ذات كفاءة عالية وحيث أن فجوة الحزمة الخاصة بمادة السيليكون
تجعل من امتصاصه للإشعاعات الكهرومغناطيسية عملية غير فعالة ولا تفى بالمتطلبات
الخاصة بعمليتى
(
امتصاص / تشتت ) الفوتونات المتطلبة للحفاظ على ( الزخم الحركى البلورى ) .
س :
لماذا يحتل السليكون المرتبة الأولى فى قائمة أشباه الموصلات الموظفة فى إنتاج
الخلايا الكهروضوئية ؟
ج : يحتل السيليكون المرتبة الأولى فى قائمة
أشباه الموصلات الموظفة فى إنتاج الخلايا الكهروضوئية لأن السيلكون ثانى أكثر
العناصر وفرة وانتشارا بالقشرة الأرضية مما يجعل منه أرخص عناصر أشباه الموصلات
رخصا وأقلها تكلفة .
ففى
الوقت الذى كان فيه السيلكون لا يزال مادة ناشئة من مواد أشباه الموصلات تم
ترشيحها وتجربتها فى إنتاج أول خلية فوتوفولطية شبه موصلة لم تكن الصناعات
الإلكترونية الحديثة والمعتمدة فى صناعتها على عنصر السيلكون قد تطورت وبعد أن
أضحى السيلكون هو العنصر الغالب والأكثر استخداما فى الصناعات الإلكترونية .
س : ما
هى مصداقية الخلايا الكهروضوئية فى توليد الكهرباء ودخولها فى ميدان التطبيقات
الفعلية ؟
ج : 1 )
كيفية زيادة كفاءة الخلايا الشمسية ورفع آدائها لترتقى لمستوى المنافسة مع
مصادر الطاقة الموظفة فى توليد الكهرباء ؟
2 ) كيفية
خفض التكلفة الصناعية الخاصة بإنتاج الخلايا الكهروضوئية ؟
3 ) كيف
يمكن أن تجمع وحدة الخلية الشمسية بين مزايا الكفاءة العالية فى تحويل الطاقة
والتكلفة الاقتصادية المناسبة ؟
رفع
كفاءة الخلايا الشمسية :
هل يمكن
لتكنولوجيا النانو أن تفرض حلولا حاسمة وفعالة تستخدم فى حل الأمور التكنولوجية
والاقتصادية عن طريق استعراض النهج والتكنولوجيات الرائدة مع إلقاء الضوء عن كيفية
استخدام المواد ذات البنية النانونية كأداة فعالة قادرة على حل المعضلات التكنولوجية
.
إن معظم
وحدات الخلايا الكهروضوئية يتم تصنيعها إما من بلورات السيلكون الأحادية أو من
السيلكون متعدد البلورات فإن الحد النظرى الأقصى لكفاءة الخلايا أحادية الوصلات
المصنعة من السيلكون ( 31 % ) ويرجع السبب الرئيسى وراء قصور كفاءة الخلايا
الكهروضوئية من هذا النوع فى تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربية إلى انخفاض
قدراتها على امتصاص نسبة عالية من فوتونات الطيف الشمسى الواقعة تحت مستوى الطاقة
الخاص بفجوة الحزمة حيث لا تتجاوز نسبة الامتصاص عن ( 20% ) مما يعنى فقدان كم
هائل من الفوتونات الضوئية وعدم الاستفادة فى عملية تحويل الضوء إلى طاقة كهربية .
فإن
التعزيز الحرارى لحاملات الشحنات ويقصد بحاملات الشحنات الفجوات التى تتركها
الإلكترونات المتحركة بحزام التكافؤ المتولدة عن امتصاص فوتونات الطاقة العليا
وتشتتها يؤدى إلى اهدار الكم الهائل من
الفوتونات مما يعمل على انخفاض قدرة الخلايا الشمسية فى تحويل الطاقة .
فى ظل
تدنى كفاءة خلايا السيلكون الكهروضوئية أحادية الوصلات فقد طرحت تكنولوجيا النانو
نهجا متميزة وعددا من المفاهيم الجديدة الرامية إلى زيادة الكفاءة الفعلية للخلايا كى تصل إلى مرتبة قريبة من الحد النظرى
المحسوب لكفاءة الخلية ( 31 % ) وقد قادت التكنولوجيات النانونية إلى طرح عددا من
المبادرات المبتكرة تهدف إلى إنتاج خلايا شمسية متقدمة من السيلكون تتمتع بقدرة
أعلى من الخلايا التقليدية للجيل الأول فى تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربية
فقد استفادت عمليات البحث والتطوير فى مجال خلايا السيلكون الفوتوفولطية من الثروة
المعرفية الخاصة بقطاع إنتاج الدوائر المتقدمة المصنوعة من السيلكون .
تكنولوجيا
الأغشية الرقيقة لإنتاج الجيل الثانى :
تبوأت
الخلايا الكهروضوئية المعتمدة على تكنولوجيا الأغشية الرقيقة مكانة مرموقة فى مجال
الخلايا الشمسية لاعتبارها مفتاح الحل فى فك شفرة خفض تكلفة إنتاج وتصنيع الخلايا
الشمسية وتتفوق الخلايا الشمسية ( خلايا الجيل الثانى ) على نظيرتها من خلايا
الجيل الأول بقدرتها على إنتاج تكلفة منخفضة وأن يتم ترسيبها على ركائز مصنوعة من
مواد رخيصة( كالزجاج / رقائق الفلزات / البلاستيك ) إلا أن رقة أسماكها يؤدى إلى
انخفاض كفاءتها فى تحويل الفوتونات إلى كهرباء وذلك للأسباب التالية :
1 )
الخلايا رقيقة الأسماك لا تكون قادرة على امتصاص فوتونات الطيف الشمسى .
2 )
الخلايا الرقيقة التى تصنع من السيلكون غير المتبلور أو من السيلكون متعدد
البلورات تحتوى فى بنيتها الهيكلية على نسبة عالية من مراكز مرتفعة الكثافة التى
تعوق من امتصاصها للفوتونات الضوئية .
وإن
كفاءة الخلايا الكهروضوئية التقليدية والمصنعة من الأغشية الرقيقة قد لا تتعدى (
10 % )
حيث قادت تطبيقات تكنولوجيا النانو إلى إنتاج
أجيال متقدمة من الأغشية الرقيقة المخلقة من مواد لسبائك جديدة ومركبات ( تيلوريد
الكادميوم ) مما كان له عميق الأثر إلى طفرة حقيقية فى عالم الخلايا الكهروضوئية
وبزوغ نجم خلايا الجيل الثانى القائم على تكنولوجيا الأغشية الرقيقة نانونية
الأسماك .
وقد قاد
النهم البحثى فى مجال تطوير صناعة الخلايا الشمسية للتوصل إلى إنتاج خلايا متغايرة
الوصلات مؤلفة من أغشية مادتى ( تيلوريد الكادميوم / كبرتيد الكادميوم ) حيث وصلت
كفاءة الخلايا فى تحويل الطاقة إلى حوالى
( 16.5 % ) .
حيث تم
التوصل إلى أغشية متقدمة مصنوعة من مادة جديدة ( سبيكة نحاس إنديوم الجاليوم ) والمادة
الجديدة التى تم دراسة خواصها وسلوكها أظهرت سبقا غير متوقع فى قدرتها الفائقة على
تحويل الطاقة حيث بلغت كفاءتها ( 20 % ) فقد أبدت خلايا ( سبيكة نحاس إنديوم
الجاليوم ) مقدرة واسعة على إمتصاص نسبة عالية من فوتونات الطيف الشمسى الواقعة
تحت مستوى الطاقة الخاص بفجوة الحزمة فاقت كل التوقعات حيث وصلت النسبة إلى أكبر
من ( 90 % )
عند سمك يتراوح ما بين ( 2 – 3 ميكرومتر ) ولكن مع
ارتفاع التكلفة الإنتاجية للمادة وعدم توافر مادة ( الإنديوم ) بكميات اقتصادية
على المدى الطويل علاوة على الأخطار البيئية المحتملة من جراء تعرضه للهواء الجوى
لفترة طويلة مما يستوجب التوصل إلى نظام تغليف وتغطية متقنة
للخلايا
مما أدى إلى غياب خلايا ( سبيكة نحاس إنديوم الجاليوم ) عن مرحلة التطبيق الفعلية
.
حيث
يتضح أن مادة السيلكون على الرغم من كفاءتها القاصرة نسبيا فى تحويل الطاقة إلا
أنها وبسبب وفرتها فى الطبيعة ما زالت تمثل الأمل فى الحصول على الكهرباء من ضوء
الشمس المباشر .
حيث أن
الأمر ما يزال يحتاج إلى جهد أعظم ومشقة بحثية لأن كفاءة السيلكون الغير متبلور
يعيب المواد الغير متبلورة فى عدم اتزانها أمام التعرض الدائم للحرارة والحث
الميكانيكى والضوء فإن ترتيب ذراتها الفريد ينهار فتتحول إلى مواد متبلورة تقليدية
.
حيث تقل
مع استمرار تعرضها للإشعاع الشمسى ليتدهور ثم يندثر بعد ( 1000 ساعة ) تشغيل
مستمرة نحو ( 40 يوم ) .
ويرجع
السبب إلى البنية الأمورفية لمادة السيلكون الغير متبلور حيث أن الاستثارة الضوئية
الناجمة عن تعرضها الدائم للإشعاع الشمسى تتسبب فى خلق ( نقاط العيوب ) التى تعمل
كبؤر أو مراكز غير إشعاعية فى بنية مادة السيلكون الغير متبلور ( ظاهرة أو تأثير
استابلير- رونسكى ).
خلايا
الجيل الثالث : الخلايا الشمسية النانونية :
أدى
احتكار المواد النانونية لخصائص بصرية كهربية وكيميائية فائقة وغير معتاد توافرها
فى المواد التقليدية كبيرة الحبيبات إلى زيادة عريضة من فرص توظيفها فى إنتاج جيل
متقدم ومتميز من الخلايا الشمسية حيث يعرف ق ( 21 ) ق ( تكنولوجيا النانو ) فقد تم
تطبيق عددا من المواد النانونية فى مجال تطوير الخلايا الكهروضوئية منها
المتراكبات النانونية لأشباه الموصلات والنقاط الكمومية ( البلورات النانونية /
الحبيبات النانونية / الأسلاك والأنابيب النانونية ) وقد استخدمت المواد نانونية
الأبعاد وبطرق مختلفة ترمى إلى محاولة التغلب على التكلفة الإنتاجية العالية ورفع
الفعالية والكفاءة فى تحويل الطاقة وإنتاج الكهرباء فى وظائف عدة وبأداء متباين
يهدف لتعزيز الاستراتيجيات الخاصة بتحويل الطاقة .
الخلايا
الشمسية الصبغية :
تعد
الخلايا الشمسية الصبغية أحد أول وأهم أنواع الجيل الثالث من الخلايا الكهروضوئية لإنفرادها بمزايا تكنولوجية واقتصادية متعددة
يعتقد بأن تكون البديل الموثوق به لخلايا الجيل الأول المصنوعة من رقائق السيلكون
وتختلف الخلايا فى طريقة عملها عن الجيل الثانى من خلايا الأغشية الرقيقة فى أنه
يتم غمس حبيبات نانونية شفافة عالية المسامية من ثانى أكسيد التيتانيوم بمركب مادة
عضوية غالبا ما تكون لمركب عضوى من مركبات عنصر الروثينيوم فتترسب جزيئات الطلاء
العضوى على الأسطح الخارجية لحبيبات من ثانى أكسيد التيتانيوم التى تغمر داخل
محلول إلكتروليتى يوضع بالخلية ويتركب السطح العلوى من الخلية المواجهه لأشعة
الشمس من لوح زجاجى شفاف يطلى وجهه السفلى بطبقة شفافة موصلة للكهرباء والتى
تعقبها حبيبات ثانى أكسيد التيتانيوم وتنتهى الخلية بغشاء رقيق من فلز البلاتينوم
يليه لوح زجاجى شفاف مطلى بطبقة شفافة موصلة للكهرباء .
وتعتمد
الخلايا الشمسية الصبغية فى عملها على أسلوب يشبه عملية التمثيل الضوئى فى الطحالب
والنباتات حيث تصدم فوتونات الأشعة الشمسية النافذة عبر اللوح الزجاجى بجزيئات
مادة الصبغة العضوية المترسبة على حبيبات ( سبيكة نحاس إنديوم الجاليوم ) وتمتصها
مما يعمل على إثارة إلكترونات المدارات الخارجية لجزيئات مادة المركب العضوية
واكتسابها الطاقة اللازمة للإنفصال عن أنويتها فتتحرر لتخترق حبيبات ( ثانى أكسيد
التيتانيوم النانونية ) ثم تنتقل إلى الطبقة العلوية الموصلة للكهرباء فإن جزيئات
مادة الصبغة العضوية الفاقدة لإلكتروناتها تقوم وبسرعة بتعويض الإلكترونات المفقودة من مركب اليود المحلول
الإلكتروليتى الموجود بداخل الخلية مما يؤدى إلى أكسدة المركب وتحوله إلى يود
ثلاثى التكافؤ لتكتمل دائرة التوصيل الكهربية للخلية من خلال العملية الكهروكيميائية وتتفوق الخلايا على
غيرها فى أنه ليس بالضرورة أن يكون مصدر الفوتونات الأشعة الشمسية المباشرة فنظرية
عمل الخلايا تعتمد فى التشغيل على أى مصدر من مصادر الإضاءة .
وتبذل
الجهود نحو استبدال المحلول الإلكتروليتى الموجود داخل الخلية بمادة صلبة مناسبة
من أجل تفادى تمدد السائل عند درجات الحرارة المنخفضة وتعرضه للتسرب خارج الخلية .
إن
كفاءة هذا النوع من الخلايا قد تضاعفت بحيث وصل فى عام ( 2010 ) لحوالى ( 11 % )
فقد تم إنتاج خلايا مرنة من الأنواع الصبغية بمساحة وصلت إلى ( 68.8 سم2 ) وبكفاءة
بلغت نسبتها ( 11.13 % ) حيث تم إنتاج خلايا من النوع الذى يتمتع بمساحة هائلة وصلت قيمتها إلى نحو ( 7 م2
) وبكفاءة حوالى ( 10 % ) وقد حفزت النتائج المبهرة العديد من الشركات فى (
ألمانيا / اليابان / الولايات المتحدة الأمريكية ) لإنتاج خلايا من هذا النوع على
المستوى الصناعى وتسويقها فى أنحاء العالم المختلفة .
خلايا
النقاط الكمومية الكهروضوئية :
إن
ماهية النقاط الكمومية قبيل استعراض تطبيقاتها فى إنتاج الخلايا الكهروضوئية فائقة
القدرة وتطلق الحبيبات على البلورات النانونية لمواد أشباه موصلات كمركبات :
Cdse,cds,cdte,zns,pbs .
إن
الحبيبات النانونية للعناصر الفلزية الحرة كالذهب ( Au
) والفضة ( Ag ) والبلاتين
( Pe ) والحديد ( Fe ) أو حبيبات السبائك الفلزية مثل سبائك ( Copt3 ) و ( Ptfe ) ويتم تحضير الحبيبات أو النقاط الكمومية
معمليا على هيئة جسيمات كروية ذات أبعاد ثلاثية
( X,Y,Z ) منتظمة أو شبه منتظمة تتراوح مقاييس أبعاد أقطارها ما بين ( 2 :
10 نانومتر )
فإن
تناهى صغر مقاييس أقطار الحبيبات يتيح لها أن تحصر داخل حيزها الحجمى الصغير عددا
من الذرات يتراوح ما بين ( 10 : 50 ذرة ) على الأكثر فهى تسلك سلوك الذرة الأحادية
للمادة وقد جذبت المواد اهتمام الباحثين
والعلماء منذ أن تعرفوا على خواصها البصرية فقد وجدوا أنه بتعريضها لمصدر خارجى من
الضوء فإن ذراتها تقوم بامتصاصه كى تطلقه فى صورة ألوان مختلفة عند أطوال موجيه
معينة .
ويعتمد
الضوء المنبعث اعتمادا كليا على مقاييس أقطار الحبيبات وإلى جانب اعتماده على هوية
ونسب العناصر الداخلة فى تركيبها .
وللنقاط
الكمومية تطبيقات فريدة بعض منها نلمسه اليوم والكثير منها ما زال فى جعبة
المستقبل
بحيث
تستخدم كواصمات فولورية لتعيين أماكن تواجد الأورام والخلايا السرطانية بالجسم
مهما تدنت مقاييس أبعاد الأورام وصغر حجمها .
تستخدم
فى صناعة الديودات الباعثة للضوء كاللمبات الصغيرة الموجودة فى الجانب السفلى من
أجهزة التليفزيونات التى تظهر بلون أخضر عند تشغيل الجهاز بينما تظل على لونها
الأحمر عند غلق الجهاز ووضع فى حالة الاستعداد للتشغيل .
تستخدم
فى الإضاءة الذاتية لعلامات التحذير المرورية وفى لوحات الإعلانات الموجودة بالطرق
السريعة حيث تمتص الحبيبات الكمومية ضوء كشافات السيارات لتضىء بألوان مختلفة
بناءا على أبعاد أقطار الحبيبات الكمومية لضوء كشافات السيارات والتى عادة ما تكون
متباينة فى الأبعاد حتى ينبعث منها الضوء بألوان مختلفة وجذابة .
تستخدم
فى تطبيقات مشغلات أقراص الفيديو الرقمية حيث تصنع منها أشعة الليزر الأزرق المستخدم
فى قراءة بيانات الأقراص .
وقد
عززت النقاط الكمومية بخواصها غير المسبوقة من أمال إنتاج خلايا شمسية تعرف بخلايا
النقاط الكمومية وهى أحد أهم أنواع الجيل الثالث من الخلايا الشمسية فإن مفهوم
خلايا المتراصات المؤلفة من عدة مواد قد ترسخ وتؤكد كوسيلة لتحسين آداء الخلايا
الكهروضوئية ورفع كفاءتها بحيث تستحوذ النقاط الكمومية لمادة السيلكون على اهتمام
غير عادى ورجوعا لخواصها الفريدة ومزاياها المتعددة فى تحويل الطاقة بكفاءة عالية
.
ما هى
المزايا التى تتفوق بها النقاط الكمومية عن غيرها من التركيبات البنائية للمادة ؟
1 )
تمتعها بفجوة الحزمة الانضباطية فإن فجوة الحزمة الانضباطية تعنى أن الطول الموجى
القادم من طيف الإشعاع الشمسى والذى يتم امتصاصه بحيث يمكن أن يتم الهيمنة عليه
والتحكم فيه وظبطه فإنه كلما صغرت أحجام الحبيبات وتضاءلت مقاييس أبعادها كلما
زادت قدرتها فى امتصاص الأطوال الموجية القصيرة من الضوء وتضاعف مقدار الناتج
الكهروضوئى لها وقل فاقد الفوتونات الغير ممتصة مما يعنى زيادة فى كفاءة الخلايا وقدرة
أوسع فى تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربية .
وبالنقيض
مع الجيل الأول من الخلايا الكهروضوئية فإن تدنى فجوة الحزمة الانضباطية يقود إلى
رفع قدرة الخلية فى الامساك بالفوتونات الضوئية والاستيلاء عليها بالفوتونات
الواقعة على حافة اللون الأحمر من الطيف الشمسى مما يؤدى إلى زيادة فى إنتاجية
التيار الكهربى وتصل كفاءة تحويل الطاقة فى الخلايا الكهروضوئية المكونة من نقاط
كمومية متساوية الأحجام إلى 63 % فإنه يمكن تحقيق أعلى كفاءة تحويل للطاقة وبدون
فقد إذا ما تم توظيف متراكبة مؤلفة لعدد من النقاط الكمومية ذات مقاييس وأبعاد
مختلفة ومتدرجة .
وتتوالى انجازات العلماء والباحثين الرامية إلى إنتاج
خلايا كهروضوئية من المواد النانونية المتقدمة كالأسلاك والأنابيب النانونية بحيث
يتم تجريب عددا من المواد فى إنتاج خلايا كهروضوئية كالأسلاك النانونية لمركبات
مؤلفة من ( زرنيخ الإنديوم / زرنيخ الجاليوم ) وأنابيب الكربون النانونية
والأنابيب النانونية المخلقة من مركبات زرنيخات الإنديوم والجاليوم ومن مركبات
لعناصر مواد أشباه الموصلات بحيث تصل كفاءة الخلايا الكهروضوئية فى تحويل الطاقة
الضوئية إلى طاقة كهربية إلى نحو ( 40.7 % ) .
الطاقة الشمسية
إن عملية التمثيل الضوئى فى النبات يعتبر مصدرا للطاقة
الشمسية وباستخدام ضوء الشمس لاحداث تفاعلات كيميائية وتحويل مواد من شكل لآخر
فالماء وغاز ثانى أوكسيد الكربون
( CO2 ) و ( H2O
) لمواد غنية بالطاقة الحيوية الناتجة عن ضوء الشمس وطاقة السكر فعندما ينقسم جزىء
الماء باستخدام الطاقة الشمسية لغازى الاكسجين والهيدروجين فالنبات يطلق الأكسجين
فى الجو أثناء النهار ثم يستخدم الهيدروجين المتبقى مع ثانى أوكسيد الكربون فى
سلسلة من التفاعلات الكيميائية المعقدة لإنتاج الجلوكوز الغنى بالطاقة فالبترول
والفحم والغاز الطبيعى ما هى إلا صور متعددة للطاقة الشمسية فاستخدام الطاقة
الشمسية لإحداث تفاعلات كيميائية محددة وإنتاج الوقود باستخدام ضوء الشمس يعتبر
الحل الناجح لمشكلة الطاقة للأبد .
تخزين الضوء ونقله :
إن التمثيل الضوئى الصناعى فوجود معامل ومختبرات متخصصة
لأبحاث التمثيل الضوئى الصناعى ( ICAP
) وإن أهم مزايا التمثيل الضوئى الصناعى فيمكن تخزين ضوء الشمس فى خلايا تقوم
بامتصاص ضوء الشمس وتحويله لطاقة كهربية نظيفة فعملية إنتاج جزىء الهيدروجين عن
طريق الورقة الصناعية فهى غشاء رمادى مقبب ومنتفخ فى نفس حجم أوراق اللعب يعمل على
تحويل ضوء الشمس لوقود نظيف فقد تم تقسيم جزىء الماء بمساعدة ضوء الشمس لأكسجين
وهيدروجين باستخدام عنصر نادر ( البلاتينيوم ) كعامل محفز .
فالمحاولة الجديدة لا تشمل أى عناصر نادرة فالعامل
المحفز ( الكوبالت / الفوسفات ) وتكون وظيفته إطلاق الأكسجين الموجود فى الماء فى
صورة غاز أما البروتونات المتبقية والمحملة بالطاقة فيتولى عامل محفز من ( النيكل
/ الزنك / الموليبدينيوم ) وهو عبارة عن معدن شبيه
( بالجرافيت ) ليتم تحويلها لهيدروجين فالعلماء نجحوا فى
إنتاج الغاز الطبيعى أو ( الميثان ) فى المراحل التالية فتم إنتاج البنزين .
فعملية إنتاج الهيدروجين فعن طريق مرحلة حصاد الضوء فيتم
البحث فى أجزاء الخلية
( الكلوروسومات ) التى تقوم بعملية التمثيل الضوئى
بمساعدة أنواع معينة من البكتيريا فكيف تسير عملية امتصاص الضوء فى النموذج
الطبيعى ( التمثيل الضوئى ) فإن جزىء الكلوروفيل الأخضر فى الكلوروسومات المسئول
عن الصبغ فى النبات يصطف بشكل عمودى ملتحما ببعضه البعض .
الضوء كتيار كهربى :
إن عملية التمثيل الضوئى الصناعى أوسع وأشمل من الخلايا
الكهروضوئية التى يتم عن طريقها تحويل الطاقة الشمسية لكهرباء فالخلايا
الكهروضوئية القديمة لا يمكنها تخزين الضوء بكمية كافية لللأيام الغائمة فالفاقد
أثناء نقل الطاقة يكون عاليا أما الخلايا الكهروضوئية الجديدة فتعمل على تحويل ضوء
الشمس لكهرباء يدفع بدوره التفاعل الإلكتروكيميائى فالخلية الكهربية الجديدة للشمس
حتى يبدأ الهيدروجين فى التدافع فتم تحويل نسبة ( 4.7 % ) من ضوء الشمس لوقود نظيف
وهى نسبة غير مؤثرة إذا ما استغلت على نطاق تجارى فتعتبر بداية جيدة للتمثيل
الضوئى الطبيعى لا ينجح فى تحويل نسبة أعلى من ( 3 : 6 % ) فى أفضل الأحوال وتوجد
نتائج مبشرة بنسب فعالية أعلى تصل من ( 20 : 30 % ) فيعيبها استخدام الماس فى
تصنيع الورقة الصناعية مما يرفع ثمنها ويجعلها غير قابلة للاستغلال على نطاق واسع
.
أسامة ممدوح عبد الرازق
مصطفى شرف
مجلة العربى العلمى
27 / 9 / 2015
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق