يعد تحسين كفاءة الخلايا الشمسية التي تحول الضوء إلى كهرباء أحد التحديات التي يسعى العلماء إلى معالجتها، في ظل ازدياد الطلب على مصادر الطاقة المتجددة، وتلعب الخلايا الشمسية دورًا محوريًّا في مساعدة الدول على التخلص من الوقود الأحفوري، مع انخفاض تكاليف الإنتاج، وذلك بفضل توافر مادة السليكون بكثرة، واكتشف الباحثون في جامعة بادربورن الألمانية بعض العيوب الفريدة في التركيب الذري للسليكون، ويخططون لاستعمالها لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية.

وقام فريق بحثي بقيادة أستاذ فيزياء المواد النظرية في جامعة بادربورن، وولف غيرو شميدت، بدراسة معمقة لعمل الخلايا الشمسية، مستخدمًا مركز الحوسبة عالية الأداء في شتوتغارت (HLRS) لفهم كيفية تحويل هذه الخلايا الضوئية إلى كهرباء، واستخدم فريق شميدت الحاسوب العملاق “هوك” لمحاكاة كيفية التحكم في الإكسيتونات (اقتران إلكترون مع ثقب إلكترون) وتحريكها داخل الخلايا الشمسية لالتقاط المزيد من الطاقة.

وتوصلت الدراسة إلى اكتشاف مفاجئ؛ حيث وجد الفريق أن بعض العيوب في النظام تحسن نقل الإكسيتون بدلًا من إعاقته، وتصنع معظم الخلايا الشمسية من السليكون، وهو عنصر شائع لكنه يمتلك عيوبًا في التقاط الإشعاع الشمسي وتحويله إلى كهرباء.

وتمتص الفوتونات – جزيئات الضوء – طاقة أكبر بكثير مما يمكن تحويله إلى كهرباء بواسطة السليكون؛ مما يؤدي إلى فقدان الطاقة على شكل حرارة، ويسعى العلماء إلى إيجاد طرق لالتقاط بعض هذه الطاقة الزائدة وتحسين كفاءة الخلايا الشمسية.

وركز فريق شميدت على استخدام طبقة رقيقة من مادة التتراسين العضوية كطبقة عليا للخلية الشمسية، واستخدم الفريق محاكاة AIMD لدراسة كيفية تفاعل الجسيمات وتحركها داخل الخلية الشمسية، وسمحت محاكاة AIMD للفريق بفهم كيفية تفاعل الإلكترونات مع ثقوب الإلكترون والذرات الأخرى في النظام بدقة عالية.