المصدر: scitechdaily
قد يكون هناك العديد من المواد العضوية وغير العضوية التي تم تجاهلها والتي يمكن استخدامها لتسخير ضوء الشمس تحت الماء وتشغيل المركبات الغاطسة ذاتية التشغيل بكفاءة ، حسبما أفاد باحثون في جامعة نيويورك. بحثهم ، الذي ينشر اليوم (18 مارس 2020) في مجلة Joule ، يطور مبادئ توجيهية لقيم فجوة النطاق المثلى في مجموعة من الأعماق المائية ، مما يدل على أن أشباه الموصلات ذات فجوة واسعة النطاق ، بدلاً من أشباه الموصلات ضيقة النطاق المستخدمة في السيليكون التقليدي الخلايا الشمسية ، هي أفضل تجهيز للاستخدام تحت الماء.
"حتى الآن ، كان الاتجاه العام هو استخدام خلايا السيليكون التقليدية ، التي نظهرها أنها ليست مثالية بعد أن تذهب إلى عمق كبير حيث يمتص السيليكون كمية كبيرة من الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء ، والتي يمتصها الماء أيضًا - خاصة عند يقول Jason A. Röhr ، باحث مشارك بعد الدكتوراه في مختبر المواد والأجهزة التحويلية للأستاذ أندريه دي تايلور في كلية تاندون للهندسة في جامعة نيويورك ومؤلف الدراسة. "من خلال إرشاداتنا ، يمكن تطوير المزيد من المواد المثلى".
المركبات تحت الماء ، مثل تلك المستخدمة لاستكشاف المحيط السحيق ، محدودة حاليًا بالطاقة البرية أو البطاريات غير الفعالة على متنها ، مما يمنع السفر لمسافات أطول وفترات زمنية. ولكن في حين أن تكنولوجيا الخلايا الشمسية التي انطلقت بالفعل على الأرض وفي الفضاء الخارجي يمكن أن تمنح هذه الغواصات المزيد من الحرية للتجول ، فإن العالم المائي يمثل تحديات فريدة. ينثر الماء ويمتص الكثير من طيف الضوء المرئي ، ممتصًا أطوال الموجات الشمسية الحمراء حتى في الأعماق الضحلة قبل أن تتاح للخلايا الشمسية القائمة على السليكون فرصة التقاطها.
تم إنشاء معظم المحاولات السابقة لتطوير خلايا شمسية تحت الماء من السيليكون أو السليكون غير المتبلور ، وكل منها يحتوي على فجوات ضيقة في النطاق الأنسب لامتصاص الضوء على الأرض. ومع ذلك ، تمكن الضوء الأزرق والأصفر من الاختراق بعمق في عمود الماء حتى مع تناقص الأطوال الموجية الأخرى ، مما يشير إلى أن أشباه الموصلات ذات فجوات نطاق أوسع لا توجد في الخلايا الشمسية التقليدية قد توفر ملاءمة أفضل لتزويد الطاقة تحت الماء.
لفهم إمكانات الخلايا الشمسية تحت الماء بشكل أفضل ، قام روهر وزملاؤه بتقييم المسطحات المائية التي تتراوح من أوضح مناطق المحيط الأطلسي والمحيط الهادئ إلى بحيرة فنلندية عكرة ، باستخدام نموذج توازن مفصل لقياس حدود كفاءة الخلايا الشمسية في كل موقعك. تبين أن الخلايا الشمسية تحصد الطاقة من الشمس إلى أعماق 50 مترًا في أوضح أجسام المياه في الأرض ، حيث تعزز المياه الباردة من كفاءة الخلايا.
كشفت حسابات الباحثين أن ممتصات الخلايا الشمسية ستعمل بشكل أفضل مع فجوة نطاق مثالية تبلغ حوالي 1.8 إلكترون فولت على عمق مترين وحوالي 2.4 إلكترون فولت على عمق 50 مترًا. ظلت هذه القيم متسقة عبر جميع مصادر المياه التي تمت دراستها ، مما يشير إلى أنه يمكن تكييف الخلايا الشمسية وفقًا لأعماق تشغيل محددة بدلاً من مواقع المياه.
يشير روهر إلى أن الخلايا الشمسية المنتجة بثمن بخس والمصنوعة من المواد العضوية ، والتي يُعرف أنها تعمل جيدًا في ظروف الإضاءة المنخفضة ، وكذلك السبائك المصنوعة من عناصر من المجموعات الثالثة والخامسة على الجدول الدوري ، يمكن أن تكون مثالية في المياه العميقة. وبينما تختلف مادة أشباه الموصلات عن الخلايا الشمسية المستخدمة في اليابسة ، سيظل التصميم العام متشابهًا نسبيًا.
يقول روهر: "في حين أن مواد حصاد الشمس يجب أن تتغير ، فإن التصميم العام لن يضطر بالضرورة إلى تغيير كل ذلك كثيرًا". "إن الألواح الشمسية المصنوعة من السليكون التقليدية ، مثل الألواح التي يمكنك العثور عليها على سطحك ، مغلفة لمنع الضرر الذي يلحق بالبيئة. وقد أظهرت الدراسات أن هذه الألواح يمكن غمرها وتشغيلها في الماء لشهور دون إحداث أضرار كبيرة للألواح. يمكن استخدام طرق تغليف مماثلة للألواح الشمسية الجديدة المصنوعة من مواد مثالية. " الآن وقد اكتشفوا ما يجعل الخلايا الشمسية تحت الماء فعالة ، يخطط الباحثون لبدء تطوير المواد المثلى.
"هنا يبدا المرح!" يقول روهر. لقد قمنا بالفعل بالتحقيق في الخلايا الشمسية العضوية غير المحفوظة والمستقرة للغاية في الماء ، لكننا ما زلنا بحاجة إلى إظهار أنه يمكن جعل هذه الخلايا أكثر كفاءة من الخلايا التقليدية. بالنظر إلى مدى قدرة زملائنا في جميع أنحاء العالم ، فنحن على يقين من أننا سنرى هذه الخلايا الشمسية الجديدة والمثيرة في السوق في المستقبل القريب ".
