ایسنا/ پژوهشگران «کالج دانشگاهی لندن»(UCL) با همکاری «مجتبی عبدی جالبی»، دانشمند ایرانی موفق به تولید سلول‌های خورشیدی شدند که انرژی بی‌نهایت دارند.

دانشمندان در جهانی که با سرعت 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 چگونه می‌توانیم ارتشی از حسگرهای هوشمند، گجت‌های بی‌سیم و رایانه‌های کوچک را بدون تعویض مداوم میلیاردها باتری تغذیه کنیم؟

پژوهشگران «کالج دانشگاهی لندن» همراه با چندین مؤسسه بین‌المللی شاید پاسخی داشته باشند که می‌تواند راه‌حل‌های انرژی سبز را متحول کند. آنها سلول‌های خورشیدی داخلی را توسعه 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 بالاترین میزان دستیابی در مطالعه آنهاست، این سلول‌ها را در میان بهترین عملکردها در نوع خود قرار می‌دهد.

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

تحول عملکرد سلول خورشیدی 

محور این مطالعه، استراتژی مونتاژ مجدد با «عملیات غیرفعال‌سازی سه‌گانه»(TPT) است. این رویکرد از سه ترکیب شیمیایی برای حل مشکلاتی مانند نقص‌هایی که انرژی را هدر می‌دهند و تغییرات شیمیایی ناشی از نور که عملکرد را کاهش می‌دهند، استفاده می‌کند. این مشکلات مدت‌هاست که عملکرد سلول‌های خورشیدی داخلی را محدود کرده‌ بودند. 

این رویکرد با تغییر نحوه رفتار مواد سلول خورشیدی در سطح خود عمل می‌کند. به طور معمول، سطح دارای الکترون‌های اضافی است. درمان سه‌گانه این تعادل را تغییر می‌دهد تا کمبود الکترون ایجاد 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 قوی‌تری از پتانسیل بهتر تبدیل انرژی است.

وعده طولانی‌مدت 

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 عملکرد اولیه خود را پس از بیش از چهار ماه و حدود ۳هزار و ۲۰۰ ساعت در دمای اتاق و رطوبت کم حفظ کردند. اگرچه این عملکرد مداوم نبود، اما انعطاف‌پذیری مواد را در طول زمان نشان می‌دهد. در شرایط سخت‌تر سلول‌ها هنوز ۷۶ درصد از بازده اولیه خود را حفظ 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 می‌دهند.

کاربردهای واقعی برای دستگاه‌های هوشمند

برداشت انرژی داخلی می‌تواند نحوه عملکرد دستگاه‌های متصل در خانه‌ها، دفاتر و محیط‌های صنعتی را تغییر دهد. به جای تعویض 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 تولید 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 کمی انرژی نیاز دارند، به تعویض باتری وابسته هستند. این تعداد با گسترش اینترنت افزایش خواهد یافت. سلول‌های خورشیدی که در حال حاضر، انرژی را از نور داخلی دریافت می‌کنند، گران و ناکارآمد هستند.

وی افزود: سلول‌های خورشیدی «پروسکایت» ما که به طور خاص مهندسی شده‌اند، می‌توانند انرژی بسیار بیشتری نسبت به سلول‌های تجاری برداشت کنند و بادوام‌تر از سایر نمونه‌های اولیه هستند. این امر راه را برای الکترونیک‌هایی که با نور محیطی موجود در زندگی ما تغذیه می‌شوند، هموار می‌کند. ما در حال حاضر در حال گفتگو با شرکای صنعتی برای بررسی استراتژی‌های افزایش مقیاس و استقرار تجاری هستیم.

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

با توجه به اینکه 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 منتشر شده است.