علماء بنسلفانيا يشرحون طريقة جديدة للحصول على الطاقة من الضوء

وجد باحثون من جامعة ولاية بنسلفانيا  University of Pennsylvaniaآلية جديدة من أجل الحصول على الطاقة من الضوء، هذا الاكتشاف الذي يمكن أن يحسن تقنيات توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية وسيؤدي إلى استخدام أجهزة الكترونية بصرية أكثر فعالية وكفاءة في الاتصالات.

ابحاث العلماء من أجل الحصول على الطاقة من الضوء

أدت العمل داون بونل Dawn Bonnell نائبة عميد جامعة بنسلفانيا للأبحاث وأستاذة علوم وهندسة المواد في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية جنب إلى جنب مع طالب الدكتوراه: ديفيد كونكلين David Conklin.

شملت الدراسة تعاون مع باحثين إضافيين من جامعة بنسلفانيا من خلال مركز النانو-بيو Nano/Bio Interface Center وكذلك شراكة مع مختبر مايكل ثيرين Michael J. Therien من جامعة ديوك Duke University.

قالت داون بونل:

إننا متحمسون لأننا:

• وجدنا عملية أكثر كفاءة وفعالية بكثير من عملية توصيل الصورة بشكل تقليدي.
• وإن استخدام مثل هذا النهج قد يجعل حصاد الطاقة الشمسية والأجهزة البصرية الالكترونية أفضل بكثير.

نشرت الدراسة في مجلة الجمعية الكيميائية للنانو ACS Nano .

ولكن، تم مناقشاتها في المؤتمر والمعرص الوطني للجمعية الكيميائية الأميركية American Chemical Society National Meeting and Exhibition في انديانا بولس.

وبسبب، أن المراكز الجديدة تعمل على بنية جزيئات النانو البلازمونية.

وعلى وجه التحديد المواد المصنوعة من جزيئات الذهب، والجزيئات الحساسة للضوء (البروفين) وفق أحجام دقيقة ومرتبة في أنماط محددة.

تثار البلازمونات أو التذبذب الجماعي للالكترونات في هذه النظم بواسطة الإشعاع الضوئي ولكن، تنتج تيار كهربائي يتحرك في نمط يحدده حجم وشكل جزيئات الذهب فضلاً عن الخواص الكهربائية للبيئة المحيطة. ولأن هذه المواد تزيد وتعزز تشتت الضوء فهي لذلك تمتلك قدرة على أن تستخدم في مجال واسع من التطبيقات المختلفة، مثل:

• زيادة عملية الامتصاص في الخلايا الشمسية.

في عام 2010:

نشرت الأستاذة بونل وزملاؤها تقرير تعلن فيه:

• اختلاق بنية نانونية بلازمونية تطلق تيار كهربائي عير الجزيئات.
• وفي بعض الحالات صممت المواد كغطاء من جزيئات الذهب النانوية وذلك باستخدام تقنية أخترعتها مجموعة بونل تسمى العزل الكهربائي الشفاف في الطباعة الحجرية النانوية.
• وهي (عملية تصنيع الهياكل والأجسام على المستوى النانوي ونقصد بتلك الهياكل كل النماذج ذات أحد الأبعاد الجانبية على الأقل يتراوح حجمها بين ذرةٍ واحدةٍ و100 نانومتراً تقريباً.

حيث تستخدم الطباعة الحجرية النانوية في أثناء عملية تصنيع دارات أشباه الموصلات المتكاملة).

كان من المحتمل أن يكون اكتشاف ضخم، ولكن العلماء لم يتمكنوا من اثبات أن:

التحسن في نقل إشارة الإشعاع الضوئي إلى التيار الكهربائي كان بفضل الالكترونات الساخنة التي تنتجها البلازمونات المثارة.

وكان هناك احتمالات شملت أن جزيء البروفين نفسه كان مثاراً أو أن الحقل الكهربائي استطاع أن يركز الأشعة الواردة في نقطة واحدة.

الأستاذة بونل تقول:

• أفترضنا أنه عندما تثار البلازمونات إلى سوية طاقية عليا يجب أن نكون قادرين جني الالكترونات من المادة.
• وإذا تمكنا من ذلك استطعنا استخدامها في تطبيقات الأجهزة الجزيئية الالكترونية مثل:

استخراج الطاقة الشمسية وفي أجزاء الدارة الكهربائية.

لدراسة آلية نشوء التيار الذي يحرض حدوثه البلازمون:

• قام الباحثون بتنويع المكونات المختلفة للبنى النانونية البلازمونية من خلال تغيير حجم كل من الدقائق النانونية للذهب، وجزيئات البروفين والمباعدة بين تلك المكونات.
• وصمموا هياكل وبنى محددة تستبعد الاحتمالات الأخرى.

لذلك فأن المساهمة الوحيدة في تعزيز الصورة الحالية تكون من الالكترونات الساخنة التي تم أخذها من البلازمون.

وقالت الأستاذة بونل:

تبعاً لقياساتنا وبالمقارنة مع حادثة الإثارة الضوئية التقليدية لاحظنا ازدياد من (3-10) مرات في فعالية وكفاءة العملية، ولم نكن حتى قد قمنا بتحسين النظام.

ومن حيث المبدأ تستطيع أن تتصور الزيادة الضخمة في الكفاءة.

الأجهزة التي تجسد عملية حصاد الالكترونات من البلازمون قد تتخصص بتطبيقات مختلفة:

• من خلال تغير الحجم والمباعدة بين الدقائق النانوية.

التي من شأنها تغير الطول الموجي للضوء الذي تستجيب له البلازمونات.

أضافت الأستاذة بونل:

• هل تستطيع أن تتصور وجود طلاء على جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بك.

والذي يعمل بمثابة خلايا شمسية تقوم بتشغيل جهازك باستخدام أشعة الشمس فقط، ولكن، هذه المادة قد تستطيع أيضاً تطوير أجهزة الاتصالات لتصبح جزءاً فعال من الدارة الكهربائية الجزيئية.

المصدر:

Penn Scientists Demonstrate New Method for Harvesting Energy from Light (September 9, 2013). PennNews. Retrieved from: https://penntoday.upenn.edu/news/penn-scientists-demonstrate-new-method-harvesting-energy-light