مولد شمسي-توليدي حراري مرن قائم على Ag2Se متكامل حراري-ضوئي

تحويل ضوء الشمس إلى طاقة قابلة للارتداء

تخيل أن قبعتك أو حقيبتك يمكن أن تحوّل ضوء الشمس بهدوء إلى كهرباء، لتزوّد حساسات صحية أو أدوات صغيرة بالطاقة دون بطاريات. تصف هذه الدراسة جهازًا جديدًا نحيفًا وقابلًا للثني يقوم بذلك بالضبط. من خلال تكديس طبقات فائقة الرقة من المواد بذكاء، أنشأ الباحثون شريطًا على شكل حلقة يمتص ضوء الشمس كحرارة ويحوّل تلك الحرارة مباشرة إلى كهرباء، كل ذلك ضمن غشاء مدمج واحد.

لماذا تهم الأغشية الشمسية المرنة

تقليديًا تسعى تقنيات الطاقة الشمسية إلى أعلى كفاءة عادةً وتعتمد على ألواح صلبة أو تركيبات معقدة من الأجزاء. لكن الأجهزة منخفضة الطاقة على الجسم—مثل متتبعات اللياقة أو حساسات البيئة—تفضل خرجًا ثابتًا وموثوقًا وراحة أعلى من السعي لأرقام قياسية في الأداء. يمكن لمولدات الطاقة الشمسية-الحرارية، التي تحول ضوء الشمس إلى حرارة ثم إلى طاقة كهربائية، أن تعمل عندما تتعثر الخلايا الشمسية التقليدية، مثلًا في ظروف إضاءة متغيرة أو عند درجات حرارة متواضعة. جعل هذه المولدات رقيقة ومرنة وبسيطة بما يكفي للاندماج في الملابس أو الإكسسوارات قد يفتح الباب أمام إلكترونيات قابلة للارتداء تعمل ذاتيًا.

دمج امتصاص الضوء وتوليد الطاقة

معظم أجهزة الطاقة الشمسية-الحرارية الحالية مصنوعة من أجزاء منفصلة: مجموعة تمتص ضوء الشمس وتسخّن، ومجموعة أخرى تحول فرق الحرارة إلى كهرباء. هذه الطريقة متعددة الأجزاء تزيد السماكة وتفقد حرارة عند الواجهات. بدلًا من ذلك، صمم الفريق هيكلًا «متكاملًا» قائمًا على غشاء سيلينيد الفضة (Ag2Se) يمتص الضوء ويعمل كمادة حرارية-كهربائية فعالة في الوقت نفسه. حسّنوا الغشاء بحيث تنتقل الحاملات الشحنية بسهولة خلاله، محافظين على أداء كهربائي قوي حتى في درجة حرارة الغرفة وتحت الثني. لكن الغشاء العاري وحده لم يستطع الوصول إلى درجات حرارة مرتفعة جدًا تحت ضوء الشمس، فاحتاج الباحثون إلى طريقة أذكى لحبْس وإدارة الحرارة.

كومة طبقات غير مرئية تحبس الحرارة

لتحسين التسخين، بنى الباحثون تكديسًا مهندَسًا بعناية تحت وعلى سطح غشاء Ag2Se. في الأسفل توجد مرآة معدنية من الفضة والتنجستن تعكس الأشعة تحت الحمراء مرة أخرى إلى مادة الامتصاص وتمنع فقدان الحرارة عبر الإشعاع. في الأعلى، أضافوا طبقتين رقيقتين شفافيتين من أكسيد الألومنيوم وثاني أكسيد السيليكون تعملان كطلاء مضاد للوهج غير مرئي، يقللان الانعكاس ويسمحان بدخول المزيد من ضوء الشمس إلى طبقة Ag2Se الداكنة. أظهرت صور المجهر الإلكتروني حدودًا حادة ونظيفة بين الطبقات، مما يساعد على الحفاظ على سلوك كهربائي وحراري متوقع. وأكدت قياسات بصرية أن هذا الغشاء المكدس يمتص جزءًا أكبر بكثير من طيف الشمس بينما يعكس الأشعة تحت الحمراء المهدرة بعيدًا عن البيئة.

من أغشية ساخنة إلى مولدات قابلة للارتداء تعمل فعليًا

عند الاختبار تحت ضوء شبيه بضوء الشمس، سخن الغشاء متعدد الطبقات إلى نحو 85 درجة مئوية عند شدة شمسية قياسية—أعلى بكثير من غشاء Ag2Se العادي ومقارن بمطليات ماصة شمسية تجارية متقدمة. ارتفعت الحرارة بسرعة واستجابت خطيًا مع زيادة شدة الضوء، وهو أمر مفيد لكل من إخراج الطاقة المستقر واستشعار الضوء. حافظ الغشاء على أدائه حتى بعد آلاف دورات الثني، مما يُظهر قدرة تحمله للانثناء المتوقع في الأجهزة القابلة للارتداء. ثم بنى الفريق مولدًا على شكل حلقة يحتوي على أرجل متبادلة من Ag2Se من النوع n ومن أكسيد التيلوريوم-أنتموني (p-type) حول منطقة مركزية مسخّنة. تحت ظروف ضوء الشمس الواحد، أنتجت هذه الحلقة فرق حرارة حوالى 20 درجة عبر أرجلها وكثافة طاقة تتجاوز معظم أجهزة الطاقة الشمسية-الحرارية المرنة المُبلغ عنها.

ضوء الشمس الحقيقي على القبعات والحقائب

لمعرفة سلوك الجهاز خارج المختبر، عرض الباحثون الأغشية وحلقة المولد لأشعة الشمس الطبيعية على مدار يوم كامل. عمل الغشاء المهيكل باستمرار بدرجة حرارة أعلى من الغشاء غير المعدّل، حيث تجاوزت درجة حرارته 90 درجة مئوية في منتصف النهار. أنتجت حلقة المولد نحو ميكروواط واحد وفولتات على مستوى الميليفولت تتبع ضوء الشمس طوال اليوم. عند خياطتها على قبعة شمسية أو حقيبة ظهر، واصلت توليد فولتية قابلة للاستخدام في ظروف خارجية يومية، رغم أن الرياح قد تبرد الجهاز وتقلل الخرج قليلاً. يشير المؤلفون إلى أن تحسينات بسيطة في التغليف والعزل يمكن أن تساعد في التخفيف من هذه التأثيرات المتعلقة بالطقس.

ماذا يعني هذا لتكنولوجيا الحياة اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة وصفة عملية لتحويل أغشية رقيقة وقابلة للثني إلى مولدات متكاملة تحول ضوء الشمس إلى كهرباء مناسبة للأجهزة القابلة للارتداء. من خلال تكديس غشاء حراري-كهربائي ماص للضوء مع طبقات عاكسة ومضادة للانعكاس، يلتقط الجهاز مزيدًا من طاقة الشمس كحرارة ثم يحول تلك الحرارة بكفاءة إلى طاقة كهربائية، وكل ذلك مع بقاءه مرنًا ومتينًا. على الرغم من أن القدرة المطلقة متواضعة، فهي مناسبة تمامًا للمستشعرات الصغيرة والإلكترونيات منخفضة الاستهلاك. يمكن تطبيق الاستراتيجية أيضًا على مواد مماثلة أخرى، مما يشير إلى مسار واسع نحو ملابس وإكسسوارات تحصد طاقة الشمس بهدوء أثناء الاستخدام اليومي.

الاستشهاد: Hou, S., Wang, J., Zhang, G. et al. An all-in-one Ag₂Se-based flexible solar-thermoelectric generator with photothermal integration. Nat Commun 17, 2268 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69120-w

الكلمات المفتاحية: المواد الحرارية الكهربائية المرنة, حصاد طاقة شمسية, إلكترونيات قابلة للارتداء, التحويل الضو-حراري, مولدات الأغشية الرقيقة