وتظهر الأبحاث أنه في أي وقت يصل ما يقرب من 89 ألف تيراواط من الطاقة الشمسية إلى سطح الأرض، لكن التكنولوجيا الحالية لا تزال صعبة الاستخدام الكامل لهذا المورد الضخم، خاصة في امتصاص الطيف الشمسي بأكمله. تقوم الوحدات الكهروضوئية الحالية بتحويل الضوء المرئي وجزء من الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى طاقة كهربائية، ويتم إهدار كمية كبيرة من الطاقة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. على الرغم من أن أنظمة التركيز والاستخدام الحراري الشمسي تحاول تغطية نطاق أوسع، إلا أنها مقيدة بقيود مثل عدم امتصاص المواد والبنية التحتية الكبيرة. أصبحت كيفية "الضغط" على الطيف الشمسي قدر الإمكان وبتكلفة وتعقيد محدودين موضوعًا مهمًا في مجال مواد الطاقة.
أعلن فريق بحث من كلية الدراسات العليا للعلوم والتكنولوجيا المتقاربة في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KU-KIST) في سيول، كوريا الجنوبية، مؤخرًا عن تطور جديد. لقد حققوا امتصاصًا فعالًا لكامل الطيف الشمسي المتاح تقريبًا في جهاز شمسي للاستخدام الحراري من خلال "كرات خارقة" غروانية بلازمونية ذات هيكل نانوي ذهبي مُجمَّعة ذاتيًا. وفقًا للتقارير، يمكن أن يصل معدل امتصاص الضوء لهذا الطلاء الجديد في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء إلى 90٪، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة التقاط الطاقة الحرارية ويزيد من طاقة الخرج في أجهزة توليد الطاقة الحرارية إلى حوالي 2.4 مرة من طلاءات الجسيمات النانوية التقليدية.
يتكون الإشعاع الشمسي تقريبًا من 50% إلى 55% من الأشعة فوق البنفسجية، و40% إلى 45% من الضوء المرئي، و3% إلى 5% من الأشعة تحت الحمراء. تعتبر الوحدات الكهروضوئية التقليدية أكثر حساسية للضوء المرئي ولها استخدام محدود للأشعة فوق البنفسجية وبعض الأشعة تحت الحمراء. تعتمد أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على المرايا لتعكس ضوء الشمس إلى جهاز الاستقبال. على الرغم من أنها تغطي نطاقًا أوسع، إلا أنها تتطلب هياكل بصرية ودعمية واسعة النطاق ولا تزال محدودة بكفاءة امتصاص المادة المستقبلة. تعمل أجهزة الاستخدام الحراري للطاقة الشمسية بشكل جيد إلى حد معقول من حيث امتصاص الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، ولكن عادة ما يكون من الصعب تحقيق طبقاتها السطحية لامتصاص "الجسم الأسود" كامل الطيف، مما يؤدي إلى محدودية كفاءة النظام بشكل عام.
لحل عنق الزجاجة هذا، صمم فريق البحث هيكل "الكرة الفائقة": أولاً، تم تحضير غرويات جسيمات الذهب النانوية في محلول، مما يسمح لها بالتجمع تلقائيًا في مجاميع كروية بحجم ميكرون في الطور السائل. تتكون كل "كرة مفرطة" من آلاف جزيئات الذهب النانوية المتجمعة معًا بشكل وثيق. ثم قام الباحثون بتغليف القطرات الغروية على السطح الخزفي لجهاز توليد الطاقة الحرارية وتجفيفها لتكوين طبقة كثيفة ومحكم تعزز بشكل كبير امتصاص ضوء الشمس. يُظهر الرسم البياني الوارد في التقرير "كرة مفرطة" يبلغ قطرها حوالي 2100 نانومتر، وتتكون من عدد كبير من جزيئات الذهب النانوية المصممة بعناية لتعزيز تأثير التقاط الضوء.
سبق استخدام أفلام الجسيمات النانوية الذهبية وطلاءات الامتصاص العازلة لتعزيز امتصاص الضوء في نطاقات محددة من الطول الموجي وتقليل خسائر إعادة الإشعاع الحراري. ومع ذلك، غالبًا ما تواجه مثل هذه الحلول التقليدية مشكلات مثل عدم كفاية امتصاص الأشعة تحت الحمراء، والحساسية لزاوية الحادث، وارتفاع تكلفة التصنيع، وضعف الاستقرار الحراري في ظل خدمة درجات الحرارة المرتفعة على المدى الطويل. في المقابل، فإن "الكرة الفائقة" البلازما المقترحة هذه المرة تختلف في الآلية: رنين البلازمون السطحي الموضعي (LSPR) المتولد على سطح الجسيمات النانوية، المتراكب على رنين من نوع Mie للكرة الفائقة بأكملها، يسمح للفوتونات الساقطة بأن تكون "محاصرة" بشكل فعال في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء وتحويلها إلى طاقة حرارية. هذا التأثير التآزري للرنين متعدد المقاييس هو المفتاح لتحقيق امتصاص عالي كامل الطيف.
وفي اختبارات أداء محددة، أظهر جهاز توليد الطاقة الحرارية المطلي بطبقة "الكرة الفائقة" معدل امتصاص يبلغ حوالي 90% من الطيف الشمسي، وبالتالي شكل تدرجًا أقوى في درجة الحرارة، مما يجعل طاقة الخرج تقارب 2.4 مرة من طلاءات الجسيمات النانوية التقليدية. وأشار فريق البحث إلى أن هذه التكنولوجيا تستخدم حاليا بشكل رئيسي في مختلف أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الحرارة، بما في ذلك توليد الطاقة الكهربائية الحرارية الشمسية (TEG)، ومجمعات الطاقة الشمسية الحرارية، والإدارة الحرارية والتدفئة السلبية. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن يتم دمجه مع الخلايا الكهروضوئية لبناء نظام هجين من الطاقة الكهروضوئية والحرارية (PVT): يتم تحويل جزء الضوء المرئي إلى طاقة كهربائية بواسطة الوحدة الكهروضوئية، ويتم امتصاص نطاق الطول الموجي المتبقي بكفاءة إلى طاقة حرارية من خلال طلاء "الغلاف الزائد".
ومن بين مؤلفي الورقة جايون لي، وسيونغ وو لي، وكيونغ هون رو، وقد نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة "ACS Applied Materials & Interfaces". خلال الدراسة، قال لي تشينغيو إن "الغلاف الفائق" للبلازما الذي اقترحوه يوفر مسارًا بسيطًا في البنية ولكنه يمكنه جمع الطيف الشمسي الكامل بكفاءة، ومن المتوقع أن يخفض بشكل كبير العتبة التقنية للأنظمة الحرارية الشمسية والحرارية الضوئية عالية الكفاءة في تطبيقات الطاقة العملية. وقد ردد هذا الرأي بيان صحفي صادر عن الجمعية الكيميائية الأمريكية ورد في الورقة، والذي يسلط الضوء على التأثير المحتمل لهذه التكنولوجيا في تحسين كفاءة الطاقة الشمسية.
بالإضافة إلى ميزات أدائها، هناك ميزة رئيسية أخرى لهذه التكنولوجيا وهي التطبيق العملي. وأكد الباحثون أن طلاء "الكرة الفائقة" يتم تحضيره باستخدام عملية محلول، تتميز بتعقيد عملية منخفض ويسهل تطبيقها على نطاق واسع. وفي الوقت نفسه، يتوافق هذا الطلاء بشكل مباشر مع الأجهزة التجارية الحالية، مما يعني أنه بدون تغيير هيكل المعدات بشكل كبير، من المتوقع أن يحقق تحسينات كبيرة في الأداء للاستخدام الحراري الشمسي وأنظمة توليد الطاقة الحرارية الحالية من خلال طلاء أو تعديل بسيط. في سياق التحول المتسارع للطاقة في جميع أنحاء العالم، أصبح هذا النوع من الابتكار المادي الذي يمكن ربطه مباشرة بالبنية التحتية القائمة والذي يتمتع بكفاءة عالية وقابلية للتصنيع أحد الاتجاهات التي تجذب الكثير من الاهتمام في مجال الطاقة الجديد.