الخشب الشفاف لإدارة الضوء في الخلايا الشمسية
|
إن الإدارة عالية الكفاءة للضوء واسع النطاق، بهدف تعزيز احتباس الضوء داخل الطبقة النشطة، لهي أمر بالغ الأهمية بالنسبة لعديد من أجهزة تحويل الطاقة مثل الخلايا الشمسية الرقيقة والخلايا الكهروكيماوية، فضلا عن أن إدارة الضوء التي تعد أمرا بالغ الأهمية لتحسين الأجهزة البصرية الإلكترونية. وقد حول الباحثون في جامعة ميريلاند كتلة من خشب ليندن إلى كتلة شفافة، وهم يرون أنها ستكون مفيدة في مواد البناء المستقبلية وفي الأنظمة الإلكترونية القائمة على الضوء. وقد نجح عالم المواد "ليانجبنج هيو" - عضو مركز النانو في ماريلاند ومركز بحوث الطاقة في جامعة ماريلاند - وفريقه في جامعة ماريلاند في إزالة ذلك الجزيء من الخشب – اللجنين - الذي يجعله جامدا وداكن اللون، في حين استبقوا على هياكل خلايا السليلوز عديمة اللون ثم يملأونها بمادة لاصقة لينتجوا نسخة شبه شفافة من الخشب.
وتصنع إزالة اللجنين نوعا من الابيضاض في لون الخشب ويعمل الفريق على جعله أكثر وضوحا بواسطة القليل من الترقيع والهندسة النانوية. والنتيجة هي الحصول على قشرة خشبية مسامها السطحية مليئة ببوليمر شفاف. ومن أجل تصنيع هذه المواد الخشبية الشفافة (التي لا تعد من الناحية الفنية أخشابا بنسبة 100 في المائة) استخدم الباحثون في فريق المعهد الملكي للتقنية في جامعة ستوكهولم بالسويد عملية كيماوية لإزالة اللجنين الطبيعي الذي يعد مكونا من مكونات جدران خلايا الخشب. ويرى الدكتور "هيو" وزملاؤه هذه الخلايا كقنوات عمودية متوازية في الخشب تشكل هيكلا طبيعيا يمكن استخدامه لتمرير الضوء من خلاله بعد معالجة الخشب.
وفي المستقبل القريب يمكن أن يستخدم هذا الخشب لعمل نوافذ أو حتى ستائر خاصة من شأنها السماح بمرور الضوء، وإن ظلت معتمة إلى حد ما. ويعتقد الباحثون أيضا أن هذه المواد الخشبية يمكن استخدامها لصنع خلايا شمسية شفافة بشكل معقول وملائم من حيث كل من التكلفة التي يتحملها المطورون والأثر الواقع في البيئة.
وتتسم عملية التصنيع بكونها أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، خصوصا مع انخفاض سمك الركيزة. ويحتفظ الخشب الشفاف الناتج بشبكة ألياف السليلوز النانوية المتوازية الموجودة بشكل طبيعي في الخشب، التي يمكن أن تؤدي إلى منتج متباين الخواص. ويمكن أن يحسن التخلل الكفء للبوليمر كثيرا من الخواص الميكانيكية ومن الاستقرار البعدي للركائز النهائية خاصة في وجود الماء والرطوبة اعتمادا على درجة ذوبان البوليمر. ويمكن تكييف سمك الخشب الشفاف المركب بكل سهولة وبساطة عن طريق التحكم في سمك ركيزة الخشب الأولية. كما يمكن التحكم في النفاذية البصرية عن طريق اختيار البوليمرات ذات مؤشرات الانكسار المختلفة.
وقد مكنت هذه العملية الباحثين من التوصل إلى مواد قادرة على تحقيق نفاذية الضوء بنسبة تصل إلى 85 في المائة. ويتسم هذا الخشب الشفاف بنفاذية بصرية عالية، وفي الوقت نفسه بدرجة ضبابية عالية في النطاق الموجي الواسع بين 400 و1100 نانومتر. وبفضل هذه الخصائص البصرية الفريدة يمكن استخدام مركب الخشب الشفاف ذي ألياف السليلوز النانوية في مجموعة كبيرة من الإلكترونيات الضوئية، خاصة في الخلايا الشمسية والإضاءة واسعة الزاوية، حيث تكون إدارة الضوء أمرا حاسما لتعزيز كفاءة تشغيل الجهاز. ومن المثير للانتباه أن هذه المواد تأتي من مصادر متجددة، كما أنها تحمل أيضا خصائص ميكانيكية ممتازة، بما في ذلك القوة والصلابة، وانخفاض الكثافة والموصلية الحرارية المنخفضة. إن هذا الاكتشاف الأخير من شأنه صنع تأثير كبير في تقنيات الطاقة الشمسية. حيث يمكن أن تكون هذه المواد هي الأنسب لإنشاء هياكل شفافة على نطاق أوسع، مثل الخلايا الشمسية والنوافذ في المباني المستقبلية. ويمكن للمباني ذات النوافذ الزجاجية الاستفادة كثيرا من هذه النتيجة، حيث توفر لها مواد أرخص تسمح للضوء بالمرور مع الحفاظ على الخصوصية. والطاقة الشمسية جذابة في هذا السياق لأنها مجانية، ولا تنضب، ونظيفة. ويمكن للمباني المنفذة للضوء أن تسهم أيضا في خفض الطلب على الطاقة، لأن الضوء الاصطناعي يمكن استبداله جزئيا بالضوء الطبيعي. وتتمثل الخطوة التالية للباحثين في توسيع عملية التصنيع وزيادة الشفافية في المنتج النهائي.