اختراق علمي يتجاوز حدود الفيزياء: تطوير خلايا شمسية بكفاءة كمية تصل إلى 130%

مقدمة: البحث عن تجاوز الحدود الفيزيائية للطاقة الشمسية

تُعد الطاقة الشمسية الركيزة الأساسية في الجهود العالمية الرامية للحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري ومكافحة التغير المناخي. ورغم أن الشمس تمد الأرض بكميات هائلة من الطاقة في كل ثانية، إلا أن الخلايا الشمسية الحديثة لا تزال تلتقط جزءاً يسيراً من هذه الطاقة. يعود هذا القصور إلى ما يعرف بـ “السقف الفيزيائي” الذي أعجز العلماء لعقود طويلة عن تجاوزه.

وفي دراسة حديثة نُشرت في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية (JACS)، كشف باحثون من جامعة كيوشو في اليابان، بالتعاون مع جامعة يوهانس غوتنبرغ ماينتس في ألمانيا، عن نهج ثوري يتجاوز هذه الحدود التقليدية. عبر استخدام معقدات معدنية تعتمد على عنصر الموليبدينوم، نجح الفريق في كسر حاجز الكفاءة النظري، محققين نتائج وُصفت بأنها كانت “مستحيلة” في السابق.

آلية عمل الخلايا الشمسية ومعضلة “شوكلي-كويسر”

تعمل الخلايا الشمسية التقليدية عندما تصطدم فوتونات ضوء الشمس بمادة شبه موصلة، مما ينقل الطاقة إلى الإلكترونات ويضعها في حالة حركة لتوليد تيار كهربائي. تتبع هذه العملية قانوناً فيزيائياً يُعرف بـ “حد شوكلي-كويسر” (Shockley-Queisser limit)، والذي يحدد الكفاءة القصوى لتحويل الطاقة في خلية شمسية ذات وصلة واحدة بنحو 33% فقط.

تكمن المشكلة في أن الفوتونات منخفضة الطاقة (مثل الأشعة تحت الحمراء) لا تمتلك الطاقة الكافية لتنشيط الإلكترونات، بينما تفقد الفوتونات عالية الطاقة (مثل الضوء الأزرق) طاقتها الزائدة على شكل حرارة. هذا الفقد الطاقي هو ما دفع العلماء للبحث عن استراتيجيات لمضاعفة الطاقة المستخلصة من كل فوتون ممتص.

انشطار القميص المفرد: تكنولوجيا الأحلام لمضاعفة الطاقة

يوضح يويشي ساساكي، الأستاذ المشارك في كلية الهندسة بجامعة كيوشو، أن هناك استراتيجيتين رئيسيتين لكسر هذا الحد: الأولى هي تحويل فوتونات الأشعة تحت الحمراء منخفضة الطاقة إلى ضوء مرئي عالي الطاقة، والثانية – وهي موضوع هذا الاختراق – هي استخدام تقنية “انشطار القميص المفرد” (Singlet Fission – SF).

في الظروف العادية، ينتج كل فوتون ممتص “إكسيتوناً” واحداً (وهو زوج مرتبط من إلكترون وفجوة) في حالة “القميص المفرد”. أما في عملية انشطار القميص المفرد، فينقسم هذا الإكسيتون الواحد إلى اثنين من الإكسيتونات في حالة “القميص الثلاثي” (Triplet excitons) ذات الطاقة الأقل. نظرياً، يعني هذا أن الفوتون الواحد يمكنه توليد حاملي شحنة بدلاً من واحد، مما يضاعف الكفاءة الكمية المحتملة.

التغلب على سرقة الطاقة ومعضلة FRET

واجهت الأبحاث السابقة معضلة كبرى تمثلت في آلية تُعرف بـ “نقل طاقة فورستر الرنيني” (FRET)، حيث يتم “سرقة” الطاقة قبل حدوث عملية الانشطار والمضاعفة. ولحل هذه المعضلة، طوّر الفريق البحثي مُصدراً للضوء يعمل بآلية “انقلاب الغزل” (Spin-flip) يعتمد على معقد معدني من الموليبدينوم.

تم تصميم هذا المعقد بدقة ليعمل كمستقبل للطاقة، حيث يقوم بالتقاط طاقة الإكسيتونات الثلاثية الناتجة عن الانشطار بشكل انتقائي وفوري. وبفضل ضبط مستويات الطاقة بعناية، تمكن الباحثون من تقليل الخسائر الناجمة عن آلية FRET، مما سمح باستخراج فعال للإكسيتونات المضاعفة.

نتائج مذهلة: كفاءة تتجاوز 100%

من خلال دمج هذه المعقدات مع مواد تعتمد على مادة “التتراسين” (Tetracene) في محلول مختبري، حقق النظام عائداً كمياً وصل إلى 130%. هذا الرقم يعني أنه مقابل كل 100 فوتون يتم امتصاصها، يتم تنشيط 130 معقداً معدنياً من الموليبدينوم. هذا الإنجاز يثبت عملياً أن عدد حوامل الطاقة المنتجة يتجاوز عدد الفوتونات الواردة، وهو ما كان يُعتبر تحدياً كبيراً في فيزياء المواد.

الآفاق المستقبلية: من المختبر إلى التطبيق الصناعي

رغم أن هذا البحث يمثل “إثباتاً للمفهوم” في بيئة مخبرية، إلا أنه يفتح آفاقاً واسعة لمستقبل تكنولوجيا الطاقة والكم. يطمح الفريق الآن إلى دمج هذه المواد في أنظمة الحالة الصلبة (Solid-state systems) لتحسين نقل الطاقة وجعلها قابلة للتطبيق في الخلايا الشمسية التجارية.

بالإضافة إلى الطاقة الشمسية، يمكن أن تمتد تطبيقات هذه الدراسة لتشمل تطوير صمامات ثنائية باعثة للضوء (LEDs) أكثر كفاءة، وتطبيقات في تكنولوجيا الحوسبة الكمومية الناشئة، مما يضع معقدات الموليبدينوم وانشطار القميص المفرد في طليعة الابتكارات العلمية للعقد القادم.