آیا دوران صفحات خورشیدی سیلیکونی به سر آمده است؟

سال‌هاست که سیلیکون بر چشم انداز انرژی خورشیدی تسلط داشته است. کارایی و دوام آن باعث شده است که به ماده‌ای مناسب برای صفحات فتوولتائیک تبدیل شود. با این حال، سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون سفت و سخت و برای تولید پرهزینه هستند که پتانسیل آنها را برای سطوح انحنادار محدود می‌کند.

نیمه‌رساناهای آلی مواد مبتنی بر کربن هستند که جایگزین مناسبی با هزینه کمتر و انعطاف پذیری بیشتر ارائه می‌دهند.

سلول خورشیدی آلی(OSC) نوعی فتوولتائیک است که از الکترونیک آلی استفاده می‌کند و شاخه‌ای از الکترونیک است که برای جذب نور و حمل بار برای تولید برق از نور خورشید توسط اثر فتوولتائیک با پلیمرهای آلی رسانا یا مولکول‌های کوچک آلی سر و کار دارد. اغلب سلول‌های فتوولتائیک آلی سلول‌های خورشیدی پلیمری هستند. مولکول‌های مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی آلی قابل پردازش با محلول و در توان بالا و ارزان هستند، در نتیجه برای تولید حجم زیاد هزینه کمی صرف می‌شود.

سلول‌های خورشیدی آلی همراه با انعطاف‌پذیری مولکول‌های آلی برای کاربردهای فتوولتائیک به‌طور بالقوه مقرون به صرفه هستند. مهندسی مولکولی (به عنوان مثال تغییر طول و گروه عاملی پلیمرها) می‌تواند آنها را تغییر داده و امکان تنظیم الکترونیکی را فراهم کند. ضریب جذب نوری مولکول‌های آلی زیاد است، بنابراین می‌توان مقدار زیادی از نور را با مقدار کمی از مواد، معمولاً به ترتیب صدها نانومتر جذب کرد.

مهم‌ترین معایب مرتبط با سلول‌های فتوولتائیک آلی نیز در مقایسه با سلول‌های فتوولتائیک معدنی مانند سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، بازدهی و استحکام کم آنهاست.

سلول‌های خورشیدی پلیمری در مقایسه با دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون، دارای وزن سبکتری هستند که برای حسگرهای خودمختار کوچک حائز اهمیت است. همچنین ارزان، قابل انعطاف، قابل تنظیم در سطح مولکولی و به‌ طور بالقوه دارای اثرات زیست‌محیطی کمتری هستند.

سلول‌های خورشیدی پلیمری همچنین می‌توانند شفافیت داشته باشند و کاربردهایی چون استفاده در پنجره‌ها، دیوارها، وسایل الکترونیک قابل انعطاف داشته باشند.

عدم کارایی و ثبات سلول‌های خورشیدی پلیمری، همراه با هزینه کم و افزایش بازده، آنها را به یک زمینه جذاب در تحقیقات سلول خورشیدی تبدیل کرده‌ است.

از سال ۲۰۱۵، بازدهی سلول‌های خورشیدی پلیمری به بیش از ۱۰ درصد از طریق ساختار پشت سر هم افزایش یافته‌ 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 طور بالقوه می‌توانند هزینه تولید صفحات خورشیدی را کاهش دهند، زیرا این مواد را می‌توان درست مانند نحوه رنگ آمیزی دیوار با استفاده از روش‌های مبتنی بر محلول بر روی سطوح دلخواه پوشش داد.

اما این نیمه‌رساناهای آلی فقط برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها ساخته نشده‌اند، بلکه آنها توانایی تنظیم شدن برای جذب طول موج‌های خاص نور را دارند که فرصت‌های جدیدی را فراهم می‌کند.

چان خاطرنشان کرد: این ویژگی‌ها صفحات خورشیدی آلی را برای استفاده در ساختمان‌های سبز و پایدار نسل بعدی مناسب می‌سازد. صفحات خورشیدی شفاف و رنگی را تصور کنید که به طور یکپارچه در طرح‌های معماری ادغام شده‌اند.

با وجود تمام این مزایا، سلول‌های خورشیدی آلی برای مطابقت با کارایی همتایان سیلیکونی خود تلاش کرده‌اند. در حالی که صفحات سیلیکونی می‌توانند تا ۲۵ درصد از نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کنند، سلول‌های آلی معمولاً حدود ۱۲ درصد بازدهی دارند و این شکاف، مانع مهمی برای پذیرش گسترده آن است.

افزایش کارایی

تحولات اخیر هیجان پیرامون نیمه‌رساناهای آلی را زیاد کرده است. دسته جدیدی از مواد به نام گیرنده‌های غیر فولرن(NFAs) بازده سلول‌های خورشیدی آلی را به ۲۰ درصد نزدیک کردند و فاصله آن را با سلول‌های سیلیکونی کاهش دادند.

تیم تحقیقاتی دانشگاه کانزاس تلاش کرد تا بفهمد که چرا NFAها بسیار بهتر از سایر نیمه‌رساناهای آلی عمل می‌کنند. تحقیقات آنها به کشف شگفت انگیزی منجر شد. در شرایط خاص، الکترون‌های برانگیخته در NFA می‌توانند 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، زیرا الکترون‌های برانگیخته معمولاً انرژی خود را به محیط می‌دهند، مانند یک فنجان قهوه داغ که گرمای خود را به محیط اطراف می‌دهد.

این تیم به رهبری کوشال رجال، تکنیک پیچیده‌ای به نام طیف‌سنجی گسیل نوری دو فوتونی حل شده با زمان را آزمایش کردند. این روش به آنها اجازه داد تا انرژی الکترون‌های برانگیخته را کمتر از یک تریلیونم ثانیه ردیابی کنند.

یک متحد غیرمنتظره

پژوهشگران بر این باورند که این انرژی غیرعادی از ترکیب مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک ناشی می‌شود. در سطح کوانتومی به نظر می‌رسد که الکترون‌های برانگیخته روی چندین مولکول به طور همزمان وجود دارند که همراه با قانون دوم ترمودینامیک، این رفتار کوانتومی جهت جریان گرما را معکوس می‌کند.

رجال در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد: برای مولکول‌های آلی که در یک ساختار نانومقیاس خاص مرتب شده‌اند، جهت معمول جریان گرما معکوس می‌شود تا آنتروپی کل افزایش یابد. این جریان حرارتی معکوس به اکسایتون‌های خنثی اجازه می‌دهد تا گرما را از محیط دریافت کنند و به یک جفت بار مثبت و منفی تجزیه می‌شوند. اینها به نوبه خود می‌توانند جریان الکتریکی تولید کنند.

فراتر از سلول‌های خورشیدی

این تیم بر این باور است که فراتر از بهبود سلول‌های خورشیدی، یافته‌های آنها در سایر زمینه‌های تحقیقات انرژی تجدیدپذیر نیز قابل استفاده است.

آنها فکر می‌کنند مکانیسم کشف شده منجر به فوتوکاتالیست‌های کارآمدتر برای تبدیل کربن دی اکسید به سوخت‌های آلی می‌شود.

رجال تاکید کرد: با وجود اینکه آنتروپی یک مفهوم شناخته شده در فیزیک و شیمی است، به ندرت به طور فعال برای بهبود عملکرد دستگاه‌های تبدیل انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یافته‌های این تیم پژوهشی در مجله Advanced Materials منتشر شده است