موفقیت صفحه خورشیدی ارگانیك در تبدیل ۲۰ درصدی نور خورشید به برق
آیا دوران صفحات خورشیدی سیلیکونی به سر آمده است؟
به گزارش وب کنفرانس، نیمه رساناهای آلی(ارگانیک) جایگزین مناسبی برای صفحات فتوولتائیک مبتنی بر سیلیکون با هزینه کمتر و انعطاف پذیری بیشتر عرضه می دهند.
به گزارش وب کنفرانس به نقل از ایسنا، پژوهشگران دانشگاه کانزاس در زمینه 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 عرضه 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 به صورت 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، ازاین رو میتوان مقدار زیادی از نور را با مقدار کمی از مواد، معمولا به ترتیب صدها نانومتر جذب کرد.
مهم ترین معایب در رابطه با سلول های فتوولتائیک آلی هم در مقایسه با سلول های فتوولتائیک معدنی مانند سلول های خورشیدی سیلیکونی، بازدهی و استقامت کم آنهاست.
سلول های خورشیدی پلیمری در مقایسه با دستگاههای مبتنی بر سیلیکون، دارای وزن سبکتری هستند که برای سنسورهای خودمختار کوچک حائز اهمیت می باشد. همینطور ارزان، قابل انعطاف، قابل تنظیم در سطح مولکولی و به صورت بالقوه دارای اثرات زیست محیطی کمتری هستند.
سلول های خورشیدی پلیمری همینطور 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 بیشتر از ۱۰ درصد از راه ساختار پشت سر هم افزایش پیدا کرده 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 به صورت بالقوه می توانند هزینه تولید صفحات خورشیدی را کاهش دهند، چونکه این مواد را میتوان درست مانند نحوه رنگ آمیزی دیوار با استفاده 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 تصریح کرد: این خصوصیت 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 به صورت یکپارچه در طرح های معماری ادغام شده اند.
با وجود تمام این مزایا، سلول های خورشیدی آلی برای مطابقت با کارایی همتایان سیلیکونی خود کوشیده اند. در حالیکه صفحات سیلیکونی می توانند تا ۲۵ درصد از نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کنند، سلول های آلی معمولا حدود ۱۲ درصد بازدهی دارند و این شکاف، مانع مهمی برای پذیرش گسترده آن است.
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 شرایط خاص، الکترون های برانگیخته در NFA می توانند به جای 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، چونکه الکترون های برانگیخته معمولا انرژی خویش را به محیط می دهند، مانند یک فنجان قهوه داغ که گرمای خویش را 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 اعتقاد دارند که این انرژی غیرعادی از ترکیب مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک ناشی می شود. در سطح کوانتومی به نظر می آید که الکترون های برانگیخته روی چندین مولکول به صورت 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 هم 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 تصریح کرد: با وجود این که آنتروپی یک مفهوم شناخته شده در فیزیک و شیمی است، به ندرت به صورت فعال برای بهبود عملکرد دستگاههای تبدیل انرژی مورد استفاده قرار می گیرد.
یافته های این تیم پژوهشی در مجله Advanced Materials انتشار یافته است.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب