تم إثبات تأثير الفوتوفولتيك الكتلي (BPV) في سيلينيد الإنديوم من الطور ألفا (α-In2Se3) تجريبيا لأول مرة، حيث أظهر كفاءة استثنائية وأكد التوقعات النظرية السابقة. تبرز هذه الاكتشافات، التي قادها باحثون يابانيون، الإمكانات الكبيرة لـ α-In2Se3 في تقنيات الخلايا الشمسية المستقبلية وأجهزة الاستشعار الضوئية، مما يوفر مسارا واعدا نحو التقدم في مجال الطاقة المتجددة وتحقيق الحياد الكربوني.

دراسة تأثير الفوتوفولتيك الكتلي

يعتبر تأثير الفوتوفولتيك الكتلي (BPV) ظاهرة نادرة يمكن أن تسمح لبعض المواد بتجاوز أداء الوصلات التقليدية في الخلايا الشمسية. في تقدم حديث، قام الباحثون في اليابان بتأكيد تأثير BPV في سيلينيد الإنديوم من الطور ألفا (α-In2Se3) في الاتجاه العمودي لأول مرة، متماشيًا مع التوقعات النظرية السابقة، إن الكفاءة التحويلية المثيرة للإعجاب التي تم تحقيقها في جهاز α-In2Se3 تمثل خطوة هامة نحو تقنيات خلايا شمسية وأجهزة استشعار ضوئية من الجيل القادم.

فهم تأثير الفوتوفولتيك

يكمن الفهم الجيد لتأثير الفوتوفولتيك، الذي يتيح تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية مفيدة، في صميم تصميم وتطوير الخلايا الشمسية، اليوم تستخدم معظم الخلايا الشمسية الوصلات p-n، مستفيدة من تأثير الفوتوفولتيك الذي يحدث عند واجهة المواد المختلفة. ومع ذلك، فإن هذه التصميمات محدودة بواسطة حد شوكلي-كويزر، الذي يضع حدا قاسيا على الحد الأقصى النظري لكفاءة تحويل الطاقة الشمسية ويفرض تبادلًا بين الجهد والتيار الذي يمكن إنتاجه عبر تأثير الفوتوفولتيك.

استكشاف تأثير BPV في المواد البلورية

ومع ذلك، تُظهر بعض المواد البلورية ظاهرة مثيرة تُعرف بتأثير الفوتوفولتيك الكتلي (BPV). في المواد التي تفتقر إلى التناظر الداخلي، يمكن للإلكترونات المثارة بواسطة الضوء أن تتحرك بشكل متماسك في اتجاه معين بدلاً من العودة إلى مواقعها الأصلية. ينتج عن ذلك ما يُعرف بـ "تيارات النقل"، مما يؤدي إلى توليد تأثير BPV. على الرغم من أن الخبراء قد توقعوا أن سيلينيد الإنديوم من الطور ألفا (α-In2Se3) هو مرشح محتمل لإظهار هذه الظاهرة، إلا أنه لم يتم التحقيق فيه تجريبيا بعد.

لملء هذه الفجوة المعرفية، قام فريق بحثي من اليابان بقيادة الأستاذ المساعد نوريوكي أورا كامي من جامعة شينشو باستكشاف تأثير BPV في α-In2Se3. تم نشر نتائجهم مؤخرا في مجلة رسائل الفيزياء التطبيقية.

يقول الأستاذ أورا كامي: "لقد أصبح هذا المادة موضوعًا ساخنًا في مجال فيزياء المادة المكثفة، حيث قد تتمكن من توليد تيار نقل. دراستنا هي الأولى التي تثبت هذا التوقع تجريبيا."

تصميم الجهاز المصنوع من α-In2Se3

في البداية، قام الباحثون بإنتاج جهاز مكون من طبقة رقيقة من α-In2Se3 محصورة بين طبقتين شفافتي الجرافيت. وقد عملت هذه الطبقات كأقطاب وتم توصيلها بمصدر جهد ومقياس تيار لقياس أي تيارات تم توليدها عند تعرضها للضوء. من الجدير بالذكر أن الفريق استخدم هذا الترتيب المحدد من الطبقات لأنه كان يركز على التيارات النقلية التي تحدث في الاتجاه العمودي في طبقة α-In2Se3.

بعد إجراء اختبارات مع جهد خارجي مختلف وأضواء بترددات متنوعة، تأكد الباحثون من وجود تيارات نقل في الاتجاه العمودي، مؤكدين التوقعات المذكورة أعلاه. وقد حدث تأثير BPV على مدى واسع من ترددات الضوء.

مقارنة الكفاءة

الأهم من ذلك، قام الباحثون بتقييم إمكانيات تأثير BPV في α-In2Se3 ومقارنته بتلك الموجودة في مواد أخرى. يقول الأستاذ أورا كامي: "أظهر جهازنا من α-In2Se3 كفاءة كمية تفوق عدة مرات تلك الموجودة في المواد الفيروكهربائية الأخرى، وكفاءة مماثلة لتلك الموجودة في المواد ذات الأبعاد المنخفضة مع قطبية كهربائية محسنة." ويضيف: "سيوجه هذا الاكتشاف اختيار المواد لتطوير أجهزة الفوتوفولتيك الوظيفية في المستقبل القريب."

الأمل في تحقيق تأثير بيئي إيجابي

يعبر الفريق البحثي عن أمله في أن تؤدي جهودهم في النهاية إلى تأثير بيئي إيجابي من خلال المساهمة في مجال توليد الطاقة المتجددة. ويقول الأستاذ أورا كامي: "لدي نتائجنا القدرة على تسريع انتشار الخلايا الشمسية، التي تعتبر واحدة من التقنيات الرئيسية لجمع الطاقة البيئية، وهي مسار واعد نحو تحقيق مجتمع محايد من حيث الكربون."

نأمل أن تمهد هذه الدراسة الطريق لمزيد من الأبحاث لاستغلال تأثير BPV وتحسين أداء الخلايا الشمسية بشكل كبير، بالإضافة إلى تعزيز تصميم أجهزة الاستشعار الضوئية الحساسة.