اقرأ في هذا المقال
الخلية الشمسية ذات النقطة الكمومية هي أساسًا نوع تصميم للخلية الذي يستعمل النقاط الكمومية كمواد رئيسية لامتصاص الخلايا الكهروضوئية، إذ تم تصميم هذه الخلايا الشمسية، بحيث يمكنها العمل على رفع الحد الأقصى لكفاءة التحويل الديناميكي الحراري والتي يمكن تحقيقها بنسبة تصل إلى 66٪.
مفهوم الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية
الخلية الشمسية ذات النقاط الكمومية (QDSC) هي تصميم خلية شمسية يستعمل النقاط الكمومية كمواد كهروضوئية ممتصة، حيث تعمل على تبديل المواد السائبة مثل السيليكون، وسيلينيد النحاس الإنديوم (CIGS) أو تيلورايد الكادميوم (CdTe)، حيث إن النقاط الكمومية لها نطاقات من الممكن التحكم بها عبر نطاق واسع من مستويات الطاقة من خلال تغيير حجمها، وفي المواد السائبة يتم إصلاح فجوة الحزمة من خلال اختيار المادة.
تجعل هذه الخاصية النقاط الكمومية جذابة للخلايا الشمسية متعددة الوصلات، حيث يتم استخدام مجموعة متنوعة من المواد لتحسين الكفاءة عن طريق حصاد أجزاء متعددة من الطيف الشمسي، وفي هذه الصورة يوجد خلية شمسية نقطية مصبوبة بالدوران صنعتها مجموعة سارجنت في جامعة تورنتو، حيث أن الأقراص المعدنية الموجودة على السطح الأمامي هي التوصيلات الكهربائية للطبقات السفلية.
إنتاج الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية
استخدمت الأمثلة المبكرة عمليات تكاثر الحزم الجزيئية المكلفة، ومع ذلك يؤدي عدم تطابق الشبكة إلى تراكم الإجهاد وبالتالي توليد عيوب، مما يحد من عدد الطبقات المكدسة، إذ تُظهر تقنية نمو القطرات اللاصقة مزاياها في تصنيع (QDs) الخالية من الإجهاد، وبدلاً من ذلك تم تطوير طرق تصنيع أقل تكلفة في وقت لاحق، حيث تستخدم هذه الكيمياء الرطبة لـ (CQD) ومعالجة المحلول اللاحقة، ويتم تثبيت محاليل الجسيمات النانوية المركزة بواسطة روابط هيدروكربونية طويلة تحافظ على البلورات النانوية معلقة في المحلول.
لإنشاء مادة صلبة يتم التخلص من هذه الحلول، ويتم استبدال روابط التثبيت الطويلة بروابط متشابكة قصيرة السلسلة، حيث يمكن للهندسة الكيميائية لسطح البلورات النانوية أن تخمد البلورات النانوية بشكل أفضل وتقلل حالات المصيدة الضارة التي من شأنها أن تقلل من أداء الجهاز عن طريق إعادة تركيب الناقل، حيث ينتج عن هذا الأسلوب كفاءة بنسبة 7.0٪.
تستخدم دراسة حديثة روابط مختلفة لوظائف مختلفة عن طريق ضبط محاذاة النطاق النسبي لتحسين الأداء إلى 8.6٪، إذ تمت معالجة الخلايا بالمحلول في الهواء عند درجة حرارة الغرفة وأظهرت ثباتًا في الهواء لأكثر من 150 يومًا بدون تغليف، وفي عام 2014 تم تقديم استخدام اليوديد باعتباره يجند لا يرتبط بالأكسجين، حيث يحافظ هذا على طبقات مستقرة من النوع n و p، مما يعزز كفاءة الامتصاص، مما ينتج عنه كفاءة تحويل طاقة تصل إلى 8٪.
جهود (DSSC) في الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية
تستخدم الخلية الشمسية الصبغية (DSSCs) طبقة تشبه الإسفنج من (TiO2)، كصمام أشباه الموصلات وكذلك هيكل دعم ميكانيكي، ففي أثناء البناء يُملأ الإسفنج بصبغة عضوية عادةً الروثينيوم -بوليبيريدين، والتي تحقن الإلكترونات في ثاني أكسيد التيتانيوم عند الاستثارة الضوئية، إذ أن هذه الصبغة غالية الثمن نسبيًا، والروثينيوم معدن نادر.
تم اعتبار استعمال النقاط الكمومية بدلا من الأصباغ الجزيئية منذ الأيام الأولى لأبحاث (DSSC)، حيث جعلت القدرة على ضبط فجوة الحزمة للمصمم بأخذ مجموعة متنوعة من المواد لأجزاء أخرى من الخلية، وطورت مجموعات متعاونة تصميمًا يعتمد على قطب كهربائي خلفي متصل مباشرة بفيلم من النقاط الكمومية.
وهذا يعمل على التخلص من المنحل بالكهرباء وتشكيل ارتباط غير متجانس مستنفد، إذ بلغت كفاءة هذه الخلايا 7.0٪، وهو أفضل من أفضل أجهزة (DSSC) ذات الحالة الصلبة، ولكن أقل من تلك التي تعتمد على الإلكتروليتات السائلة.
متعدد الوصلات في الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية
إن الخلايا الشمسية متعددة الوصلات مصنوعة من مجموعة من مواد أشباه الموصلات المتعددة، ونظرًا لأن كل مادة لها فجوة نطاق مختلفة، فسيتم تحسين تقاطع (pn) لكل مادة من أجل طول موجي وارد مختلف للضوء، حيث يتيح استخدام مواد متعددة امتصاص نطاق أوسع من الأطوال الموجية، مما يزيد من كفاءة التحويل الكهربائي للخلية.
ومع ذلك، فإن استخدام مواد متعددة يجعل الخلايا الشمسية متعددة الوصلات مكلفة للغاية بالنسبة للعديد من الاستخدامات التجارية، ونظرًا لأنه يمكن ضبط فجوة النطاق في النقاط الكمومية عن طريق ضبط نصف قطر الجسيم، ويمكن تصنيع الخلايا متعددة الوصلات من خلال دمج أشباه الموصلات ذات النقاط الكمومية بأحجام مختلفة، وبالتالي فجوات نطاق مختلفة.
يؤدي استهلاك نفس المادة إلى التقليل من تكاليف التصنيع، ويمكن استعمال طيف الامتصاص المعزز للنقاط الكمومية للعمل على زيادة تيار الدائرة القصيرة وكفاءة الخلية الإجمالية، ويستعمل الكادميوم تيلورايد (CdTe) للخلايا التي تمتص ترددات متعددة، حيث يتم صب التعليق الغرواني لهذه البلورات على ركيزة مثل شريحة زجاجية رفيعة موضوعة في وعاء في بوليمر موصل.
التقاط الحامل الساخن في الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية
هناك طريقة أخرى لتحسين الكفاءة، وهي التقاط الطاقة الإضافية في الإلكترون عند انبعاثه من مادة ذات فجوة نطاق واحدة، وفي المواد التقليدية مثل السيليكون، تكون المسافة من موقع الانبعاث إلى القطب حيث يتم حصادها بعيدة جدًا للسماح بحدوث ذلك، حيث سيخضع الإلكترون للعديد من التفاعلات مع المواد البلورية والشبيكة، مما يؤدي إلى التخلي عن هذه الطاقة الزائدة على شكل حرارة.
تمت تجربة السيليكون ذو الأغشية الرقيقة غير المتبلور كبديل، لكن العيوب الكامنة في هذه المواد طغت على مزاياها المحتملة، إذ تظل خلايا الأغشية الرقيقة الحديثة أقل كفاءة بشكل عام من السيليكون التقليدي، حيث يمكن تصوير الجهات المانحة ذات البنية النانوية كأفلام موحدة تتجنب مشاكل العيوب ستخضع هذه الأمور لقضايا أخرى متأصلة في النقاط الكمومية، لا سيما قضايا المقاومة والاحتفاظ بالحرارة.
إكسيتونات متعددة في الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية
يفترض حد شوكلي كوييسر، الذي يحدد الحد الأقصى للكفاءة لخلية كهروضوئية أحادية الطبقة بنسبة 33.7٪، أنه يمكن توليد زوج واحد من الثقوب الإلكترونية كالإكسيتون لكل فوتون وارد، حيث أن توليد الإكسيتون المتعدد (MEG) هو مسار استرخاء بالإكسيتون يسمح بتوليد اثنين أو أكثر من الإكسيتونات لكل فوتون وارد عالي الطاقة.
إذ انه في الخلايا الكهروضوئية التقليدية تُفقد هذه الطاقة الزائدة في المواد السائبة مثل اهتزازات الشبكة أي اقتران الإلكترون والفونون، ويحدث (MEG) عندما يتم نقل هذه الطاقة الزائدة لإثارة إلكترونات إضافية عبر فجوة النطاق، حيث يمكن أن تساهم في كثافة تيار الدائرة القصيرة، ففي ضمن النقاط الكمومية يزيد الحبس الكمومي من التفاعلات الكولومبية التي تقود عملية (MEG)، وتقلل هذه الظاهرة أيضًا من معدل اقتران الإلكترون والفونون.
وهي الطريقة السائدة في استرخاء الإكسيتون في أشباه الموصلات السائبة، حيث يعمل عنق زجاجة الفونون على تقليل معدل تبريد الناقل الساخن مما يجعل الإكسيتونات تتابع مسارات الاسترخاء الأخرى، وهذا يجعل (MEG) تتحكم بالخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية، حيث يمكن تحسين معدل (MEG) عن طريق تكييف كيمياء نقاط الكم، وكذلك عن طريق تغيير مادة النقاط الكمومية والهندسة.
