تعد الشمس مصدرا مهما جدا للطاقة لجميع أشكال الحياة على سطح الأرض، ومنذ اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية بدأ الإنسان ينظر إلى الشمس كمصدر للطاقة الكهربائية، يتميز بالاستمرارية، وبالوفرة والنقاء. وبناء على ذلك، بدأ العلماء تصميم خلايا الطاقة الشمسية، وتطويرها؛ لتحويل طاقة الشمس الضوئية إلى كهرباء. ومنذ أوائل القرن العشرين عكف الباحثون على تطوير الخلايا الشمسية من أجل رفع كفاءتها، وخفض تكلفة إنتاجها، ولكن للأسف مازال استخدام تقنية الطاقة الشمسية محدودًا جدًّا، وذلك لعدة أسباب منها: انخفاض كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية، بالإضافة إلى ارتفاع تكلفة إنتاجها.

ولكن في عصرنا الحالي، نجد أن تقنية النانو القادمة تعد بتقديم حلول جذرية لهذه المشكلة، فالخصائص المذهلة لجسيمات النانو تمكنها من ريادتها في استغلال الطاقة الشمسية، فعلى سبيل المثال لا الحصر: تعدّ رقائق النانو (Nano-flakes) إحدى تراكيب النانو البلورية التي ستكون قادرة على تحويل أكثر من 30% من الطاقة الشمسية إلى كهرباء (انظر الشكل رقم 21)، والسبب في ذلك الأبعاد الدقيقة (أبعاد النانو) التي تتميز بها هذه التراكيب.

ومن التطبيقات المستقبلية الفريدة التي تعد بها تقنية النانو تحويل أكثر من 66% من الطاقة الشمسية إلى كهرباء، وذلك حسب ما صرّحت به الحسابات النظرية وباستخدام النقاط الكمية (Quantum Dots) أحد جسيمات النانو شبه الموصلة، والتي تتراوح أبعادها ما بين 2 نانومتر إلى 10 نانومترات، أي ما يعادل 10 إلى 50 ذرة. وتتميز النقاط الكمية بقدرتها على تحويل نطاق واسع من الطيف الكهرومغناطيسي إلى طاقة كهربائية، كما تتميز أيضًا بقدرتها على إنتاج شحنات كهربائية أكثر (إلكترونات)، وذلك بالتفاعل مع طاقة فوتون واحد ⁽¹⁰⁾.

كما استخدم باحثون في معهد علوم المواد بمدينة تسكوبا باليابان، وعلى رأسهم العالم المصري المسلم البروفيسور شريف الصفتي أنابيب النانومترية كضوء حسّي؛ لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية في تحويل الطاقة الشمسية وتخزينها. ونظرًا لمحدودية عمر مصادر الطاقة الرئيسة في العالم، مثل: الغاز الطبيعي، والفحم، فإنّ التوقعات والأبحاث الحالية تشير إلى وجود بدائل عن تلك الطاقة التقليدية، حيث سيكون لها إسهامات على نحو كبير في المستقبل القريب. ويتجه العالم في العصر الحالي إلى الطاقة الشمسية كمصدر ثابت وغير ملوث للبيئة. وقد شهد العالم في العقد الماضي تقدما كبيرا في تقنية تصنيع الخلايا الشمسية بالاعتماد على الأصباغ والخلايا الشمسية (DSSC) من الوسائل المهمة؛ لتحويل الضوء المرئي الشمسي إلى طاقة كهربية باستخدام المواد شبه الموصلة ⁽⁶⁵⁾.

شكل رقم (21) رقائق النانو يمكنها تحويل أكثر من 30% من الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية (10).

شكل رقم (22) النقاط الكمية التي يمكنها تحويل أكثر من 60% من طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية ولها القدرة على تغيير لونها وفقا لتغير أبعادها (10).

وقد نجم عن تطوير المواد النانومترية تصنيع خلايا شمسية متطورة، ومصنعة من مواد تعتمد على المواد النانومترية التي أثبتت أنها أكثر كفاءة وحساسية؛ لحرية حركة المواد والأصباغ المستخدمة في تحويل الطاقة الشمسية في داخل الفراغ النانومتري لتلك المواد.

ولقد بلغ اهتمام العالم بتحسين تصنيع تلك الصباغ الجديدة إلى مرحلة متقدمة؛ مما أدى إلى الحصول على المحفزات الضوئية في الخلايا الشمسية بكفاءة كهروضوئية تصل إلى 11% ⁽⁶⁶⁾.

وهدفت دراستهم إلى وضع رؤية متكاملة حول تصنيع واستخدام الطاقة الشمسية استخداما اقتصاديا وصديقاً للبيئة عن طريق تطوير عدة أصباغ محفزة؛ لامتصاص الطاقة الشمسية داخل الأنابيب والأسلاك النانومترية ثلاثية الأبعاد. وتوضّح دراستنا هذه المبنية على أكاسيد المعادن التي تبطن بها الأنابيب أو الأسلاك النانومترية، أن لها قدرة فائقة في تقنية تصنيع الخلايا الشمسية من أجل استخدامها كمصدر بديل واعد للطاقة، حيث إنها تولد طاقة كهربائية بكفاءة عالية، وبأسعار منخفضة، وذلك مقارنة بمثيلاتها من الخلايا التقليدية، وهذه المميزات مهمة جدا في مجال صناعة الخلايا الشمسية ⁽⁶⁶⁾.

ومن أهم الفوائد التي تعطيها الأكاسيد البلورية داخل الأنابيب، أو الأسلاك النانومترية، مثل: أكسيد التيتانيوم (Tio2) استطاعتها امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، وزيادة الانبعاث الطيفي في المنطقة المرئية، حيث يؤدي ذلك إلى كفاءة عالية في تصنيع وتطوير الخلايا الشمسية التي تستخدم كمصدر واعد؛ لإنتاج الطاقة البديلة.

ويعد حاليا البروفيسور الصفتي وفريقه مشروعًا بحثيًّا؛ لتصميم وتشييد أنابيب وأسلاك نانومترية مبطنة داخليا بأصباغ محفزة؛ لامتصاص الطاقة الشمسية؛ مما سيؤدى إلى طفرة في صناعة الخلايا الشمسية، وفتح آفاق جديدة في هذا المجال من حيث تحويل الضوء المرئي إلى كهربائي على أساس امتصاص واسع النطاق داخل الأكاسيد شبه الموصلة في الأنابيب، والأسلاك النانومترية.

ويتوقع من خلال هذا التصميم المقترح سهولة امتصاص الضوء الشمسي، وتحويله إلى طاقة ضوئية بكفاءة عالية، تزيد على ما هو موجود حاليا، وبنسبة قد تصل إلى حوالي 21%. وستكون نتائج هذا المشروع عالية في المناطق التي تتمتع بنسبة سطوع عالية للشمس خلال العام، ومن بينها المملكة العربية السعودية؛ لما تتمتع به من طقس دافئ، وشمس ساطعة طوال أيام العام. كما يتوقع من هذا البحث أن يشهد نجاحًا كبيرًا على أرض المملكة.

وكذلك يتوقع من هذا المشروع البحثي المقترح أن يساعد على عدم اقتصار التطوير على صناعة الخلايا الشمسية، وأن يتضمن ذلك التطوير مجالات تصنيع الإلكترونيات، والأجهزة الكهربائية والكهروميكانيكية.

______________________________________________
هوامش

(10) www.saudicnt.org Saudi Center for Nanotechnology:

(65) Itoa, S.; Matsuib, H.; Okadab, K.; Kusanoc, S.; Kitamurad, T.; Wadad Y. and Yanagida, S. Solar Energy. Materials & Solar Cells, 82, 2004, 421.

(66) Hao, S.; Wu , J.; Fan, L. ; Huang, Y. ; Lin, J. and Wei, Y. Solar Energy, 76, 2004, 745.