ضوء الشمس هو مصدر للطاقة لا ينضب، واستخدام ضوء الشمس لتوليد الكهرباء هو أحد الركائز الأساسية للطاقة المتجددة. ينتمي أكثر من 40% من ضوء الشمس الساقط على الأرض إلى الأشعة تحت الحمراء، والمرئية، والأشعة فوق البنفسجية؛ ومع ذلك، تستخدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحالية في المقام الأول الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية. لا تزال التقنيات التي تستغل الطيف الكامل للإشعاع الشمسي، والمعروفة باسم الطاقة الشمسية الإجمالية، في مهدها.
(يسار) بلورة نانوية حمض التنجستيك المطلية بالنحاس؛ (يمين) صورة الدقة الذرية للبلورة النانوية.
قام فريق بحث بقيادة الأستاذين المساعدين ميلبرت جيم والبروفيسور سييتشي واتانابي من كلية الهندسة بجامعة هوكايدو بتصنيع مادة قائمة على التنغستات المطلية بالنحاس مع الاستفادة الكاملة من الطاقة الشمسية. وقد نشرت النتائج التي توصلوا إليها مؤخرا في مجلة المواد المتقدمة .
ويوضح جيم: "حالياً، لم يتم استخدام طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة من الإشعاع الشمسي (800 نانومتر إلى 2500 نانومتر) لتوليد الكهرباء. وحمض التنغستيك مرشح لتطوير مواد نانوية قد تستغل هذا الطيف لأنه يمتلك بنية بلورية بها عيوب تمتص هذه الأطوال الموجية".
ملخص امتصاص الضوء النسبي لبلورات التنغستات من الأشعة فوق البنفسجية إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء. 1 و5 و10 هي تركيزات النحاس التي تتسبب في أن تصبح البلورات النانوية حساسة للضوء. حقوق الصورة: ميلبرت جيم وآخرون. مواد متقدمة. 29 يوليو 2023
استخدم العلماء تقنية التصنيع الضوئي التي طوروها سابقًا، وهي عملية التمثيل الضوئي للبلورات الدقيقة تحت الماء، لتصنيع بلورات التنغستات النانوية المطعمة بتركيزات مختلفة من النحاس. وقد تم تحليل البنية وخصائص امتصاص الضوء لهذه البلورات النانوية؛ تم قياس خواصها الحرارية الضوئية وتبخر الماء بمساعدة الضوء والخواص الكهروكيميائية الضوئية.
تمتص البلورات النانوية لأكسيد التنجستين المطلي بالنحاس طيف الضوء بأكمله، من الأشعة فوق البنفسجية إلى الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء؛ عندما تكون كمية المنشطات النحاسية 1%، يكون امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء هو الأكبر. تُظهر البلورات النانوية المطلية بالنحاس بنسبة 1% و5% أعلى ارتفاع في درجة الحرارة (الخصائص الحرارية الضوئية)؛ تُظهر البلورات المطلية بالنحاس بنسبة 1% أيضًا أكبر كفاءة في تبخر الماء، والتي تبلغ حوالي 1.0 كجم لكل متر مربع في الساعة. كشف التحليل الهيكلي للبلورات النانوية المطلية بالنحاس بنسبة 1% أن أيونات النحاس قد تشوه البنية البلورية لأكسيد التنغستن، مما يسبب الخصائص التي يتم ملاحظتها عند امتصاص الضوء.
وخلص واتانابي إلى أن "اكتشافنا يمثل تقدما كبيرا في تصميم البلورات النانوية القادرة على تصنيع وتسخير الطاقة الشمسية الكاملة". "لقد أثبتنا أن المنشطات النحاسية تضفي خصائص متعددة على بلورات التنغستات النانوية من خلال الاستخدام الكامل للطاقة الشمسية. وهذا يوفر إطارًا لمزيد من البحث في هذا المجال وتطوير التطبيقات."