أبحاث حديثة حول خلايا شمسية لاتعتمد على أنصاف النواقل

طور فريق من الباحثين في الولايات المتحدة وأوروبا طريقةً جديدةً لتوليد الكمون الكهربائي باستخدام الضوء المسلط على مادة صلبة. فعلى عكس معظم الأجهزة المولدة للكمون بالضوء، لا يعتمد النظام الجديد على أنصاف النواقل ولكن على السطوح البلازمونية في بنية نانوية معدنية دقيقة (لا تقلقوا سنشرح معنى ذلك). ويعمل الفريق حالياً على ابتكار أنواع جديدة من الأجهزة التي تحول الضوء إلى طاقة كهربائية.

البلازمونات السطحية هي محصلة اهتزازات الإلكترونات الحرة الموجودة على سطح المعدن بالنسبة إلى إيونات الشبكة البلورية الموجبة الثابتة والتي تتفاعل بقوة مع الضوء،و لهذه الاهتزازات تردد معين يدعى التردد البلازموني. وبذلك تكون البلازمونات ذات أهمية تكنولوجية عظيمة بكونها الرابط بين الضوئيات والإلكترونيات يكون التفاعل بين الفوتونات والبلازمونات أكبر ما يمكن عند تردد التجاوب للبلازمون والذي يتعلق بحجم وشكل الجسم وكثافة الشحنة فيه. في عام 2009، طبق بول مولفاني Paul Mulvaney وزملاؤه في جامعة ميلبورن في أستراليا كموناً كهربائياً على جسيمات نانوية من الذهب، ووجدوا أن بإمكانهم الوصول إلى تردد تجاوب البلازمون مع الضوء المسلط بحقن أو إزالة الإلكترونات عن طريق الكمون المطبق.

في نيويورك، أثبت الفيزيائي التطبيقي هاري أتواتر Harry Atwater وزملاؤه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بمساعدة باحثين من هولندا، أنه يمكن حدوث الحالة المعاكسة أي يمكن تحريض كمون سطح باستخدام الضوء الذي يستخدم لتعديل كثافة شحنة الجسيمات النانوية. قام الفريق بصناعة مادته البلازمونية بربط قضيب نانوي من الذهب ذو تردد تجاوب بلازموني موافق للطول الموجي 550 نانومتر إلى ركيزة من أوكسيد الإنديوم والقصدير. ثم أطلق الباحثون ليزر يمكن التحكم بطول موجته .وبتغيير طول الموجة من 480 إلى 650 نانومتر خلال تسليط الضوء على سطح المادة تمت مراقبة الكمون الكهربائي المتشكل على السطح باستخدام الطرف الناقل لمجهر القوة الذرية (AFM).

عندما يكون الليزر في حالة التجاوب مع البلازمون السطحي، لا يتم تحريض كمون. ولكن الكمون يتشكل عند ترددات فوق أو تحت كمون التجاوب. فعندما يكون الطول الموجي دون الـ 550 نانومتر يتم قياس فرق كمون سالب على قضبان الذهب النانوية. في الأطوال الموجية الأكبر يولد الضوء فرق كمون موجب. كما وجد الفريق أن قيمة فرق الكمون ترتبط بمعدل تغير امتصاصية الضوء بالنسبة إلى تردد الضوء. نتجت أكبر قيمة لفرق الكمون السالب عند تسليط ضوء عند طول موجة 500 نانومتر، قدم أتواتر Atwater شرح ترموديناميكياً لهذه الملاحظة: "عند تسليط ضوء على البنية، سيدفع نقصان الطاقة الحرة* بالبنية لتحاول ضبط كثافة الشحنة ما سيجعلها متجاوبة مع الضوء المسبب للإثارة. وقد أطلق الباحثون على هذه الظاهرة "المفعول البلازموكهربائي"

استخدم الفريق هذا النموذج لتوقع التردد الذي يجب عنده أن يتولد الكمون الأكبر، فوجدوا توافقاً كبيراً مع النتائج التجريبية. كما تحقق الباحثون من إمكانية تطبيق النموذج بشكل أعم، باختباره على أنماط مختلفة من المواد البلازمونية كحالة صفيحة ذهبية رقيقة مرصعة بنمط دوري من ثقوب قطرها 10 ميكرومتر محمولة على ركيزة زجاجية. في هذه البنية كذلك ظهر مفعول بلازموكهربائي، مع قيمة عليا للكمونين الموجب والسالب موافقة لتوقع النموذج.

يمكن للأجهزة التي تكلم عنها الفريق ببساطة إنتاج فرق كمون عند تسليط الضوء، ويعمل الفريق حالياً على جهاز بإمكانه تقديم طاقة كهربائية قابلة للاستخدام وبالتالي تعمل كخلية شمسية. يعتقد أتواتر Atwater بأن جهازاً كهذا بإمكانه أن يكون مكمّلاً للخلايا الضوئية (المنتجة للكهرباء بالضوء) نصف الناقلة التقليدية: "أيّ خلية شمسية مصنوعة من مادة واحدة بإمكانها فقط تحويل الطاقة من الفوتونات والتي تكون طاقتها ذات قيمة محددة ( أكبر من فجوة الطاقة الممنوعة)" كما قال" يمكن لجهازنا أن يُستخدم لمساعدة الخلايا الضوئية لحصاد الجزء تحت الأحمر للطيف، لأنه بالإمكان تصميم بنية بلازمونية للحصول على تجاوب بدرجة كبيرة عند أي تردد. "

يقول المختص بالبصريات النانوية توماس إيبسن Thomas Ebbesen من جامعة ستراسبورغ: "أرى أن هذا العمل رائع للغاية، إذا كان بإمكان شيء كهذا أن يصبح فعالاً في عملية تحويل الطاقة فسيكون ذلك بالطبع مهماً من الناحية التقنية. ولكن بمعزل عن هذا، فقد وجدت الفيزياء الكامنة وراء ذلك ممتعة للغاية فقط من وجهة النظر الترموديناميكية". أورتوين هيس Ortwin Hess من الكلية الملكية في لندن أيضاً يرى ذلك أيضاً. يقول أورتوين "يبدو أن مفاهيم الترموديناميك تدعم عملهم التجريبي ومحاكاتهم، وأنا سعيد بذلك. ورغم ذلك، من وجهة النظر المجهرية (الميكروسكوبية )، تتكون البلازمونات من إلكترونات لذلك أريد أن أرى في النهاية كيف يعمل ذلك ( أي كيف تفسر نماذج الفريق خصائص البلازمونات عند هذه المستويات)". ويعمل الباحثون الآن على هذا السؤال، و أواتر Atwater يقول أنه سيكون هناك " ورقة نظرية مرتقبة في المستقبل القريب".

*نقصان الطاقة الحرة في الترموديناميك تعني حدوث تفاعل تلقائي

المصدر: هنا