فهم كفاءة الخلايا الشمسية

تتألف الخلايا الشمسية العضوية من تلاقي السطح الداخلي لمادة مانحة للإلكترون وأخرى قابلة له، وتقع بين قطبين معدنيين. يحفّز الضوء الوارد الذي تمتصه الخلايا على تشكيل إكسايتونات excitons - وهي أزواج من الإلكترونات والثقوب الإلكترونية المترابطة بإحكام - في المادة المانحة للإلكترون. عندما تتعرض الإكسايتونا ت لفصل الشحنة عند السطح الداخلي البيني، ينتقل إلكترون حر إلى المادة القابلة للإلكترون، وينتج عن هذا الانتقال توليد الكهرباء في الدارة الخارجية.

في أثناء المرحلة الأولى من فصل الشحنة، تتراجع الإكسايتونات إلى حالة طاقة وسيطة تعرف باسم حالة نقل الشحنة (CT). يمكن لحالة نقل الشحنة أن توجد - كالعديد غيرها من حالات الطاقة - استنادا إلى أنظمة اهتزاز الجزيئات. من بين هذه الحالات، أكثر حالات الطاقة استرخاء، التي تحتوي على أقل قدر من الطاقة، هي التي تعرف باسم حالة نقل الشحنة CT¹. ولفهم حالة نقل الشحنة بشكل أفضل، نظر فريق -يضم باحثين من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا (KAUST)، في المملكة العربية السعودية- في تغيرات الطاقة المسؤولة عن توليد الشحنة.

في السابق، كان يُعتقد أن طاقة الفوتون الإضافية، التي من شأنها أن تُحدث حالات نقل شحنة أعلى طاقة من CT¹، من الممكن أن تعزز إنتاج الإلكترونات الحرة في السطح الداخلي البيني. ولكن، عند قياس كفاءة تحوّل الضوء إلى شحنة في مجموعة أوسع من المواد العضوية المحفَّزة إلى حالات نقل شحنة أكثر ارتفاعا، أظهر الفريق أن كفاءة توليد الشحنة مستقلة عن تشكل حالات نقل شحنة أكثر ارتفاعا من CT¹. ويرجع هذا إلى أن حالات نقل الشحنة المحفَّزة تسترخي لتبلغ CT¹، بخسارتها للطاقة الإضافية التي تحملها، خلال وقت أسرع بكثير من الوقت الذي يستغرقه فصل الشحنة.

إن فهم عملية توليد الشحنة والخسائر الممكنة للطاقة المعنية، من الممكن أن يساعد الباحثين على تطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة في المستقبل.

اشترك للحصول على النشرة الإلكترونية المحدّثة كل أسبوعين لكي تبقى على اطلاع بكافة المستجدات على الموقع.