تقنية كمومية ترفع عائد استغلال الضوء إلى 130

حقق فريق بحثي من جامعة كيوشو اليابانية، بالتعاون مع جامعة يوهانس غوتنبرغ ماينتس الألمانية، تقدماً لافتاً في مجال مواد تحويل الطاقة الضوئية، إذ تمكن من الوصول إلى عائد كمي يقارب 130% باستخدام معقّد معدني قائم على الموليبدينوم، صُمم لالتقاط الطاقة الناتجة من ظاهرة تُعرف باسم انشطار الحالة المفردة (Singlet Fission). ونُشرت الدراسة في دورية Journal of the American Chemical Society.

ومن الضروري هنا التمييز بين هذا الرقم وبين ما قد يتبادر إلى الذهن عند سماع عبارة كفاءة 130%. فالأمر لا يعني أن لوحاً شمسياً أصبح قادراً على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءة تتجاوز 100%، بل المقصود هو العائد الكمي على المستوى المجهري: أي عدد حالات الإثارة الطاقية التي يمكن توليدها أو التقاطها مقابل كل فوتون يمتصه النظام.

كيف تعمل الخلايا الشمسية؟

لفهم أهمية هذا الاكتشاف، لا بد من العودة إلى المبدأ الأساسي لعمل الخلايا الشمسية. فعندما تسقط الفوتونات، وهي جسيمات الضوء، على مادة شبه موصلة داخل الخلية، تنقل طاقتها إلى إلكترونات المادة. وإذا كانت طاقة الفوتون كافية، تُثار الإلكترونات وتتحرك، ما يسمح بتوليد تيار كهربائي. لكن فوتونات الشمس لا تحمل جميعها القدر نفسه من الطاقة.

لا ينقسم الفوتون نفسه، بل تُوزَّع طاقته على حزمتين لتعزيز إثارة الإلكترونات داخل المادة

فالفوتونات منخفضة الطاقة، مثل كثير من فوتونات الأشعة تحت الحمراء، قد لا تمتلك طاقة كافية لإثارة الإلكترونات. أما الفوتونات عالية الطاقة، مثل الضوء الأزرق، فتفقد جزءاً من طاقتها الزائدة عادةً على شكل حرارة. ولهذا تصطدم الخلايا الشمسية التقليدية بسقف نظري معروف باسم حد شوكلي–كوايسر، الذي يضع كفاءة الخلايا الشمسية أحادية الوصلة عند نحو 33% تقريباً.

ومن هنا تبرز أهمية ظاهرة انشطار الحالة المفردة. ففي بعض المواد العضوية، يمكن لفوتون عالي الطاقة أن يولد حالة إثارة واحدة، ثم تنقسم هذه الحالة إلى حالتين أقل طاقة. وبهذا، يمكن الاستفادة من جزء أكبر من طاقة الفوتون العالي الطاقة، بدلاً من فقدانها على شكل حرارة. هذه الحالات تُعرف باسم الإكسيتونات، وهي حالات إثارة مؤقتة