تشکیل سلول خورشیدی با توانایی بی‌نهایت به پشتیبانی دانشمند ایرانی در کالج دانشگاهی لندن_آینده

دانشمندان در جهانی که با شدت به سمت ۵۰۰ میلیارد دستگاه متصل به اینترنت تا سال ۲۰۳۰ حرکت می‌کند، با چالش انرژی عظیمی دست و پنجه نرم می‌کنند. سوال آنها این است که چطور می‌توانیم ارتشی از حسگرهای هوشمند، گجت‌های بی‌سیم و رایانه‌های کوچک را بدون معاوضه مداوم میلیاردها باتری تغذیه کنیم؟

به نقل از اس‌اف، پژوهشگران «کالج دانشگاهی لندن» همراه با چندین مؤسسه بین‌المللی احتمالا پاسخی داشته باشند که می‌تواند راه‌حل‌های انرژی سبز را منقلب کند. آنها سلول‌های خورشیدی داخلی را گسترش داده‌اند که می‌توانند انرژی را از نور روزمره با «بازده تبدیل توان داخلی»(iPCE) ۳۷/۶ درصد در شرایط نوری معمولی برداشت کنند. این رقم که بیشترین مقدار دستیابی در مطالعه آنهاست، این سلول‌ها را در بین بهترین عملکردها در نوع خود قرار می‌دهد.

دانشمندان بر روی نوع خاصی از فناوری خورشیدی موسوم به «پروسکایت‌های با پهنای باند گسترده»(wide bandgap perovskites) تمرکز کردند. این سلول‌ها بر خلاف پنل‌های خورشیدی سنتی سیلیکونی که برای منفعت گیری در فضای باز طراحی شده‌اند، برای جذب انرژی از چراغ‌های «ال‌ای‌دی»(LED)، لامپ‌های فلورسنت و دیگر منبع های روشنایی داخلی مهندسی شده‌اند و کاربردهای بالقوه آن شامل فراهم انرژی نسل بعدی دستگاه‌های کوچک و بدون خاموشی و معاوضه مداوم باتری است.

تحول کارکرد سلول خورشیدی 

محور این مطالعه، استراتژی مونتاژ مجدد با «عملیات غیرفعال‌سازی سه‌گانه»(TPT) است. این رویکرد از سه ترکیب شیمیایی برای حل مشکلاتی همانند نقص‌هایی که انرژی را هدر خواهند داد و تغییرات شیمیایی ناشی از نور که کارکرد را افت خواهند داد، منفعت گیری می‌کند. این مشکلات زمان‌ها است که کارکرد سلول‌های خورشیدی داخلی را محدود کرده‌ بودند. 

این رویکرد با تحول نحوه حرکت مواد سلول خورشیدی در سطح خود عمل می‌کند. به طور معمول، سطح دارای الکترون‌های اضافی است. درمان سه‌گانه این اعتدال را تحول می‌دهد تا افتالکترون تشکیل کند که استخراج توان از نور داخلی را برای سلول آسان‌تر می‌کند.

دانشمندان بهبود چشمگیری در توانایی مواد برای بازتاب نور مشاهده کردند که نشانه‌ای از نقص‌های کمتر هدر دهنده انرژی است. این توانایی چهار برابر افزایش یافت که نشانگر نیرومندتری از پتانسیل بهتر تبدیل انرژی است.

وعده طویل‌زمان 

این تیم سلول‌های خورشیدی خود را تحت روشنایی ۱۰۰۰ نور آزمایش کردند که تقریباً معادل روشنایی یک اداره با نور مناسب است. در آزمایش‌های پایداری ذخیره‌سازی، دستگاه‌ها ۹۲ درصد از کارکرد اولیه خود را بعد از بیشتر از چهار ماه و نزدیک به ۳هزار و ۲۰۰ ساعت در دمای اتاق و رطوبت کم نگه داری کردند. اگرچه این کارکرد مداوم نبوده است، اما انعطاف‌پذیری مواد را در طول زمان مشخص می کند. در شرایط سخت‌تر سلول‌ها تا این مدت ۷۶ درصد از بازده اولیه خود را نگه داری کردند. 

این بهبودهای دوام از توانایی این رویکرد در جلوگیری از فرآیند تخریبی شناخته شده با نام «تفکیک فاز هالید»(halide phase segregation) ناشی می‌شود که در آن مواد سلول خورشیدی تحت تابش نور از نظر شیمیایی جدا شده و کارایی خود را از دست خواهند داد.

کاربردهای واقعی برای دستگاه‌های هوشمند

برداشت انرژی داخلی می‌تواند نحوه کارکرد دستگاه‌های متصل در خانه‌ها، دفاتر و محیط‌های صنعتی را تحول دهد. به جای معاوضه باتری‌ها هر چند ماه یا سال، ترموستات‌های هوشمند، حسگرهای امنیتی، مانیتورهای محیطی و بی‌شمار دستگاه دیگر می‌توانند به طور نامحدود با نور محیط داخلی کار کنند. کارایی این فناوری به این معنی است که پنل‌های خورشیدی نسبتاً کوچک می‌توانند انرژی کافی برای الکترونیک‌های کم‌مصرف تشکیل کنند. تنها چند سانتی‌متر مربع از این سلول‌های خورشیدی پیشرفته می‌توانند به طور بالقوه یک حسگر بی‌سیم یا کلید هوشمند را به طور مداوم در یک محیط داخلی معمولی روشن نگه دارند.

دکتر «مجتبی عبدی جالبی»(Mojtaba Abdi Jalebi) دانشیار مؤسسه کشف مواد در «کالج دانشگاهی لندن» و نویسنده ارشد این مطالعه در بیانیه‌ای می‌گوید: میلیاردها دستگاه که به مقادیر مقداری انرژی نیاز دارند، به معاوضه باتری وابسته می باشند. این تعداد با گسترش اینترنت افزایش خواهد یافت. سلول‌های خورشیدی که اکنون، انرژی را از نور داخلی دریافت می‌کنند، گران و بی فایده می باشند.

او گفت: سلول‌های خورشیدی «پروسکایت» ما که به طور خاص مهندسی شده‌اند، می‌توانند انرژی زیاد بیشتری نسبت به سلول‌های تجاری برداشت کنند و بادوام‌تر از دیگر مثالهای اولیه می باشند. این کار راه را برای الکترونیک‌هایی که با نور محیطی حاضر در زندگی ما تغذیه خواهد شد، هموار می‌کند. ما اکنون در حال گفتگو با شرکای صنعتی برای بازدید استراتژی‌های افزایش مقیاس و استقرار تجاری هستیم.

ملاحظات تشکیل نیز به سود این رویکرد است. سلول‌های خورشیدی «پروسکایت» را می‌توان با فرآیندهای ساده‌تر در دماهای نسبتاً پایین تشکیل کرد که به طور بالقوه ساخت آنها را ارزان‌تر از پنل‌های سیلیکونی سنتی می‌کند. این مطالعه گامی بزرگ به سوی دستگاه‌های متصل واقعاً جدا گانه است که می‌توانند بدون دخالت انسان برای مدیریت انرژی کار کنند.

با دقت به این که روشنایی داخلی تقریباً در هر محیط ساخته شده‌ای وجود دارد، این سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا می‌توانند نور محیط را از یک وسیله‌ی ساده و کاربردی به یک منبع انرژی پایدار برای دنیای اینترنت تبدیل کنند.

این مطالعه در مجله Advanced Functional Materials انتشار شده است.