موفقیت صفحه خورشیدی ارگانیك در تبدیل ۲۰ درصدی نور خورشید به برق
آیا دوران صفحات خورشیدی سیلیکونی به سر آمده است؟
بی بی سرور: بی بی سرور: نیمه رساناهای آلی(ارگانیک) جایگزین مناسبی برای صفحات فتوولتائیک مبتنی بر سیلیکون با هزینه کمتر و انعطاف پذیری بیشتر ارائه می دهند.
به گزارش بی بی سرور به نقل از ایسنا، پژوهشگران دانشگاه کانزاس در حوزه نیمه رساناهای آلی به پیشرفتی دست یافته اند که به سلول های خورشیدی کارآمدتر و همه کاره منجر می شود.
سال هاست که سیلیکون بر چشم انداز انرژی خورشیدی تسلط داشته است. کارایی و دوام آن سبب شده است که به ماده ای مناسب برای صفحات فتوولتائیک تبدیل گردد. با این وجود، سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون سفت و سخت و برای تولید پرهزینه هستند که پتانسیل آنها را برای سطوح انحنادار محدود می کند.
نیمه رساناهای آلی مواد مبتنی بر کربن هستند که جایگزین مناسبی با هزینه کمتر و انعطاف پذیری بیشتر ارائه می دهند.
سلول خورشیدی آلی(OSC) نوعی فتوولتائیک است که از الکترونیک آلی استفاده می نماید و شاخه ای از الکترونیک است که برای جذب نور و حمل بار برای تولید برق از نور خورشید توسط اثر فتوولتائیک با پلیمرهای آلی رسانا یا مولکول های کوچک آلی سر و کار دارد. اغلب سلول های فتوولتائیک آلی سلول های خورشیدی پلیمری هستند. مولکول های مورد استفاده در سلول های خورشیدی آلی قابل پردازش با محلول و در توان بالا و ارزان هستند، در نتیجه برای تولید حجم زیاد هزینه کمی صرف می شود.
سلول های خورشیدی آلی همراه با انعطاف پذیری مولکول های آلی برای کاربردهای فتوولتائیک بطور بالقوه مقرون به صرفه هستند. مهندسی مولکولی (به عنوان مثال تغییر طول و گروه عاملی پلیمرها) می تواند آنها را تغییر داده و امکان تنظیم الکترونیکی را فراهم آورد. ضریب جذب نوری مولکول های آلی زیاد است، بدین سبب می توان مقدار زیادی از نور را با مقدار کمی از مواد، به طور معمول به ترتیب صدها نانومتر جذب کرد.
مهم ترین معایب در رابطه با سلول های فتوولتائیک آلی نیز در مقایسه با سلول های فتوولتائیک معدنی مانند سلول های خورشیدی سیلیکونی، بازدهی و استواری کم آنهاست.
سلول های خورشیدی پلیمری در مقایسه با دستگاه های مبتنی بر سیلیکون، دارای وزن سبکتری هستند که برای سنسورهای خودمختار کوچک حائز اهمیت می باشد. همین طور ارزان، قابل انعطاف، قابل تنظیم در سطح مولکولی و بطور بالقوه دارای اثرات زیست محیطی کمتری هستند.
سلول های خورشیدی پلیمری همین طور می توانند شفافیت داشته باشند و کاربردهایی چون استفاده در پنجره ها، دیوارها، وسایل الکترونیک قابل انعطاف داشته باشند.
عدم کارایی و ثبات سلول های خورشیدی پلیمری، همراه با هزینه کم و افزایش بازده، آنها را به یک زمینه جذاب در تحقیقات سلول خورشیدی تبدیل نموده است.
از سال ۲۰۱۵، بازدهی سلول های خورشیدی پلیمری به بالای ۱۰ درصد بوسیله ساختار پشت سر هم بالا رفته است. در سال ۲۰۱۸، رکورد این مقدار به ۱۷٫۳ درصد رسید.
وای لون چان دانشیار فیزیک و نجوم در دانشگاه کانزاس توضیح داد: آنها بطور بالقوه می توانند هزینه تولید صفحات خورشیدی را کاهش دهند، برای اینکه این مواد را می توان درست مانند نحوه رنگ آمیزی دیوار با بهره گیری از روش های مبتنی بر محلول بر روی سطوح دلخواه پوشش داد.
اما این نیمه رساناهای آلی فقط برای صرفه جویی در هزینه ها ساخته نشده اند، بلکه آنها توانایی تنظیم شدن برای جذب طول موج های خاص نور را دارند که فرصت های جدیدی را فراهم می آورد.
چان اشاره کرد: این خاصیت ها صفحات خورشیدی آلی را جهت استفاده در ساختمان های سبز و پایدار نسل بعدی مناسب می سازد. صفحات خورشیدی شفاف و رنگی را تصور کنید که بطور یکپارچه در طرح های معماری ادغام شده اند.
با وجود تمام این مزایا، سلول های خورشیدی آلی برای مطابقت با کارایی همتایان سیلیکونی خود تلاش نموده اند. در صورتیکه صفحات سیلیکونی می توانند تا ۲۵ درصد از نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کنند، سلول های آلی به طور معمول حدود ۱۲ درصد بازدهی دارند و این شکاف، مانع مهمی برای پذیرش گسترده آنست.
افزایش کارایی
تحولات اخیر هیجان پیرامون نیمه رساناهای آلی را زیاد کرده است. دسته جدیدی از مواد به نام گیرنده های غیر فولرن(NFAs) بازده سلول های خورشیدی آلی را به ۲۰ درصد نزدیک کردند و فاصله آنرا با سلول های سیلیکونی کاهش دادند.
تیم تحقیقاتی دانشگاه کانزاس کوشش کرد تا بفهمد که چرا NFAها بسیار بهتر از سایر نیمه رساناهای آلی عمل می کنند. تحقیقات آنها به کشف شگفت انگیزی منجر گردید. در وضعیت خاص، الکترون های برانگیخته در NFA می توانند بجای از دست دادن انرژی، از محیط اطراف خود انرژی بگیرند.
این یافته در تناقض با شناخت متعارف است. چان توضیح داد: این مشاهدات غیرمعمول است، برای اینکه الکترون های برانگیخته به طور معمول انرژی خودرا به محیط می دهند، مانند یک فنجان قهوه داغ که گرمای خودرا به محیط اطراف می دهد.
این تیم به رهبری کوشال رجال، تکنیک پیچیده ای به نام طیف سنجی گسیل نوری دو فوتونی حل شده با زمان را آزمایش کردند. این روش به آنها اجازه داد تا انرژی الکترون های برانگیخته را کمتر از یک تریلیونم ثانیه ردیابی کنند.
یک متحد غیرمنتظره
پژوهشگران براین باورند که این انرژی غیرعادی از ترکیب مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک ناشی می شود. در سطح کوانتومی بنظر می رسد که الکترون های برانگیخته روی چندین مولکول بطور همزمان وجود دارند که همراه با قانون دوم ترمودینامیک، این رفتار کوانتومی جهت جریان گرما را معکوس می کند.
رجال در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد: برای مولکول های آلی که در یک ساختار نانومقیاس خاص مرتب شده اند، جهت معمول جریان گرما معکوس می شود تا آنتروپی کل افزایش یابد. این جریان حرارتی معکوس به اکسایتون های خنثی اجازه می دهد تا گرما را از محیط دریافت نمایند و به یک جفت بار مثبت و منفی تجزیه می شوند. اینها به نوبه خود می توانند جریان الکتریکی تولید کنند.
فراتر از سلول های خورشیدی
این تیم بر این باور است که فراتر از بهبود سلول های خورشیدی، یافته های آنها در سایر زمینه های تحقیقات انرژی تجدیدپذیر نیز قابل استفاده می باشد.
آنها فکر می کنند مکانیسم کشف شده منجر به فوتوکاتالیست های کارآمدتر برای تبدیل کربن دی اکسید به سوخت های آلی می شود.
رجال اشاره کرد: با وجود این که آنتروپی یک مفهوم شناخته شده در فیزیک و شیمی است، به ندرت بطور فعال برای بهبود عملکرد دستگاه های تبدیل انرژی مورد استفاده قرار می گیرد.
یافته های این تیم پژوهشی در مجله Advanced Materials انتشار یافته است.
منبع: بی بی سرور
مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب