پایان دوران سیلیکون؟ پنل خورشیدی ارگانیک ۲۰ درصد از نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند
روزهای سلطنت سیلیکون به پایان می‌رسد؟ پنل‌های خورشیدی ارگانیک جایگزینی کارآمد برای پنل‌های فتوولتائیک مبتنی بر سیلیکون ارائه می‌دهند که هزینه‌ای پایین‌تر و انعطاف‌پذیری بیشتری دارند.
پژوهشگران دانشگاه کانزاس در درک نیمه‌رساناهای آلی به پیشرفتی قابل توجه دست یافته‌اند که نویدبخش سلول‌های خورشیدی کارآمدتر و polyvalent [پلی‌والان = polyvalent: poly = چند؛ valent = ظرفیت] است.
سال‌هاست که سیلیکون بر عرصه انرژی خورشیدی حکمرانی می‌کند. بازده و دوام آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای پنل‌های فتوولتائیک تبدیل کرده است. با این حال، سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون، خشک و تولید آن‌ها پرهزینه است و همین امر، کاربرد آن‌ها را در سطوح خمیده محدود می‌کند.
نیمه‌رساناهای آلی، این مواد مبتنی بر کربن، جایگزینی کارآمد با هزینه کمتر و انعطاف‌پذیری بیشتر ارائه می‌دهند. وی-لون چان، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه کانزاس، توضیح می‌دهد: «به دلیل امکان پوشش‌دهی این مواد روی سطوح دلخواه با استفاده از روش‌های مبتنی بر محلول (شبیه رنگ‌آمیزی دیوار)، این مواد می‌توانند به‌طور بالقوه هزینه تولید پنل‌های خورشیدی را کاهش دهند.»
اما مزایای نیمه‌رساناهای آلی تنها به صرفه‌جویی در هزینه محدود نمی‌شود. آن‌ها قابلیت تنظیم برای جذب طول موج‌های خاص نور را دارند که درهای تازه‌ای به روی امکانات جدید باز می‌کند. چان خاطرنشان کرد: «این ویژگی‌ها، پنل‌های خورشیدی آلی را به ویژه برای استفاده در ساختمان‌های سبز و پایدار نسل آینده مناسب می‌سازد.» تصور کنید پنل‌های خورشیدی شفاف و رنگی که به طور یکپارچه در طرح‌های معماری ادغام شده‌اند.
با وجود تمام این مزایا، سلول‌های خورشیدی آلی برای رسیدن به بازدهی سلول‌های سیلیکونی همتایان خود با مشکل مواجه بوده‌اند. در حالی که پنل‌های سیلیکونی می‌توانند تا ۲۵ درصد از نور خورشید را به برق تبدیل کنند، بازدهی سلول‌های آلی معمولا حول و حوش ۱۲ درصد بوده است. این شکاف مانعی جدی برای پذیرش گسترده این فناوری به شمار می‌رود.
رمزگشایی از کارآمدی
تحولات اخیر، هیجان پیرامون نیمه‌رساناهای آلی را دوباره زنده کرده است. دسته‌ای جدید از مواد به نام پذیرنده‌های غیرفولرن (NFAs) بازدهی سلول‌های خورشیدی آلی را به حدود ۲۰ درصد رسانده و شکاف با سلول‌های سیلیکونی را کمتر کرده‌اند.
تیم تحقیقاتی کانزاس در تلاش بودند بفهمند چرا عملکرد NFAها به مراتب بهتر از سایر نیمه‌رساناهای آلی است. تحقیقات آن‌ها به کشف شگفت‌انگیزی منجر شد: در شرایط خاص، الکترون‌های برانگیخته در NFAها می‌توانند به جای از دست دادن انرژی، از محیط اطراف خود انرژی کسب کنند.
این یافته با دانش مرسوم در تضاد است. چان توضیح می‌دهد: «این مشاهده برخلاف تصور عموم است، زیرا الکترون‌های برانگیخته معمولا انرژی خود را به محیط اطراف از دست می‌دهند، درست مانند یک فنجان قهوه داغ که گرما را به محیط اطراف خود پس می‌دهد.»
تحت رهبری دانشجوی تحصیلات تکمیلی، کوشال ريجال، این تیم از تکنیکی پیشرفته به نام “طیف‌سنجی فتو نشر دو فوتونه با تفکیک زمانی” استفاده کردند. این روش به آن‌ها اجازه داد تا انرژی الکترون‌های برانگیخته را تا کمتر از یک تریلیونوم ثانیه ردیابی کنند.
همپیمانی غیرمنتظره
پژوهشگران بر این باورند که این افزایش انرژی غیرمعمول ناشی از ترکیبی از مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک است. در سطح کوانتومی، الکترون‌های برانگیخته به نظر می‌رسد می‌توانند همزمان روی چندین مولکول وجود داشته باشند.
این رفتار کوانتومی همراه با قانون دوم ترمودینامیک، جهت جریان گرما را معکوس می‌کند.
ریجال در یک بیانیه‌ی مطبوعاتی توضیح داد: «برای مولکول‌های آلی که در یک ساختار نانومقیاس خاص چیده شده‌اند، جهت معمولی جریان گرما برای افزایش کل آنتروپی معکوس می‌شود. این جریان گرمای معکوس به برانگیختگی‌های خنثی اجازه می‌دهد تا از محیط گرما بگیرند و به یک جفت بار مثبت و منفی تفکیک شوند. این بارهای آزاد به نوبه خود می‌توانند جریان الکتریکی تولید کنند.»
فراتر از سلول‌های خورشیدی
فراتر از بهبود سلول‌های خورشیدی، تیم تحقیقاتی بر این باور است که یافته‌های آن‌ها در سایر زمینه‌های تحقیقات انرژی‌های تجدیدپذیر قابل‌استفاده است. آن‌ها معتقدند که مکانیسم کشف‌شده منجر به فوتوکاتالیست‌های کارآمدتری برای تبدیل دی‌اکسید کربن به سوخت‌های آلی خواهد شد.
ریجال تأکید کرد: «با وجود اینکه آنتروپی مفهومی شناخته‌شده در فیزیک و شیمی است، به ندرت به‌طور فعال برای بهبود عملکرد دستگاه‌های تبدیل انرژی به کار گرفته می‌شود.»
یافته‌های این تیم در مجله Advanced Materials منتشر شد.
نویسنده: دپارتمان خبری آرا نیرو
منبع: https://interestingengineering.com
