تمكّن فريق البحث المختص في المعهد الوطني للتكنولوجيا (INL) من إدخال تصميم مبتكر يعالج في آن واحد تحديين بارزين في تكنولوجيا الخلايا الشمسية فائقة الرقة: إدارة الضوء وتقليل الخسائر على واجهات التوصيل. هذا الابتكار قد يجعل الخلايا الشمسية المرنة خفيفة الوزن وقابلة للتطبيق في الأجهزة المحمولة، والهياكل المعمارية، والمركبات.
تحديات التكنولوجيا الشمسية فائقة الرقة
1. إدارة الضوء (Light Management)
عند استخدام طبقات رقيقة جدّا كمادة امتصاص للطاقة، تصبح قدرة الخلية على التقاط الفوتونات ضئيلة. لذا، تكمن الحاجة في تصميم قادر على “حبس” الضوء داخل الخلية لأطول مدة ممكنة، مما يرفع من احتمالية امتصاصه وإنتاج الطاقة.
2. تمرير الواجهات أو التمرير البيني (Interface Passivation)
حتى إن تم التقاط الضوء بكفاءة، فإن الخسائر في واجهات التوصيل بين الطبقات تقلل من كمية الطاقة المفيدة التي تصل إلى الدائرة، وهذا ما يُعرف بإعادة الاتحاد (recombination) عند الواجهات، وهو ما يسعى الباحثون لتجنّبه عبر تمرير الواجهات (تقليل العيوب والتفاعلات الضارة على الأسطح البينية).
مرآة ذهبية نانوية مدمجة
ابتكر الفريق طريقة جديدة واقتصادية لطباعة مرآة من الذهب ذات بنية نانوية فوق الخلايا الشمسية فائقة الرقة. هذه المرآة تعكس الضوء الضائع عائدا إلى داخل الخلية، فتقلل من الخسائر وتعزز امتصاص الطاقة.
استخدم الباحثون تقنية الطباعة الدقيقة (nanoimprint lithography) لدمج طبقة الذهب النانوية بعملية تصنيع بسيطة من خطوة واحدة، ما يغني عن الطرق المعقدة والمكلفة.
كما أن هذه البنية تعمل على تقليل فقد الطاقة في واجهة الخلية من الخلف (back interface) من خلال تمرير واجهة فعّال (passivation).
بهذا التصميم، تستطيع الخلايا فائقة الرقة أن تحقق أداء أفضل، في حين تظل قابلة للتصنيع عمليا وتقليل التكلفة النسبية.
تصريحات الباحثين
يقول الباحث أندريه فيولاس (المؤلف الأول): “هذا الهيكل يمنحنا وسيلة قوية لإدارة الضوء وتقليل إعادة الاتحاد على الواجهات في الأجهزة فائقة الرقة، مع الحفاظ على قابلية التصنيع.”
ومن جانبها، تعلّق الباحثة جينيفر تِكسيرّا: “لقد جاء هذا البحث نتيجة جهودنا لدمج إدارة الضوء مع تمرير الواجهات، وبدمجهما معا نبدأ بصياغة هياكل خلايا شمسية جديدة مبتكرة.”
وبكلماتهم، لقد اقتربوا من جعل الخلايا الشمسية المرنة خفيفة الوزن ذات كفاءة مناسبة للتطبيقات الواقعية في المستقبل القريب.
الفُرص المستقبلية والتطبيقات المحتملة
يمكن لهذا الابتكار أن يُطبَّق في:
ألواح خفيفة الوزن تُركَّب على أسطح المركبات والطائرات
أغشية طاقة شمسية مرنة على المباني والهياكل المعمارية
أجهزة محمولة مع تزويد ذاتي بالطاقة
كما أن هذا الابتكار لا يرفع كفاءة الخلايا فقط، بل يمهّد الطريق لتطوير خلايا شمسية مرنة ذات أداء عالي وصلاحية تجارية أوسع.
ابتكر فريق INL طريقة مبتكرة لدمج مرآة ذهبية نانوية تُعكس الضوء داخل خلايا شمسية فائقة الرقة، مما يعالج مشكلتين أساسيتين: إضاءة أفضل وتقليل الخسائر البينية. هذا التقدم قد يسرّع من اعتماد الخلايا الشمسية المرنة في التطبيقات الحقيقية—من المباني إلى الأجهزة المتنقلة—بكلفة تصنيع أقل.