به گزارش گروه علم و فناوری ایسکانیوز؛ جهانی را تصور کنید که در آن، پنل‌های خورشیدی آنقدر سبکند که بتوان آن‌ها را در لباس‌ها دوخت، آنقدر شفافند که بتوانند به‌ عنوان پنجره عمل کنند و آنقدر ارزانند که برق را حتی در دورافتاده‌ترین نقاط یک کشور نیز تأمین کنند. این چشم‌انداز که روزی متعلق به داستان‌های علمی تخیلی بود، امروزه به لطف یک گروه استثنایی از مواد با نام پروسکایت،‌ به‌سرعت در حال تبدیل شدن به واقعیت است.

پروفسور محمد خواجه نذیرالدین، دانشمند هندی و برگزیده ششمین جایزه فناوری مصطفی(ص)، توانسته فناوری‌ را توسعه دهد که امکان تولید برق از انرژی خورشیدی با کارایی بالا و هزینه پایین را فراهم می‌کند؛ به این فناوری، سلول‌های خورشیدی پروسکایتی می‌گویند که جایگزین سلول‌های قدیمی سیلیکونی می‌شوند. برای این که بدانیم این دستاورد چطور امکان تامین برق پایدار و ارزان برای مناطق محروم و کاهش وابستگی جهانی به سوخت‌های فسیلی را فراهم می‌کند، بهتر است بیشتر با این سلول‌های خورشیدی پساسیلیکونی آشنا شویم.

خورشید هر روز آنقدر انرژی به سطح زمین می‌تاباند که می‌تواند هزاران برابر بیش از نیاز کل جمعیت جهان، انرژی فراهم کند. با این حال، در سال ۲۰۱۳، انرژی خورشیدی کمتر از یک درصد از مصرف انرژی جهانی برای برق‌رسانی به خانه‌ها، کارخانه‌ها و وسایل نقلیه را تشکیل می‌داد. تنها دلیل این امر، وابستگی کشورها به سوخت‌های فسیلی نبود؛ بلکه علت اصلی آن را می‌توان این موضوع دانست که فناوری‌های ابتدایی جمع‌آوری انرژی خورشیدی، مانند سلول‌های سیلیکونی فتوولتائیک نسل اول، تنها می‌توانستند بخش کوچکی از انرژی دریافتی از خورشید را به برق قابل استفاده یا انرژی ذخیره‌شده تبدیل کنند.

پنل‌های خورشیدی از مجموعه‌ای از سلول‌های خورشیدی تشکیل شده‌اند که به‌صورت سری و موازی به یکدیگر متصل شده‌اند تا توان خاصی را تولید کنند. هر سلول خورشیدی در واقع یک قطعه الکترونیکی از جنس مواد نیمه‌رساناست که طوری ساخته شده تا هنگام تابش نور خورشید، الکترون‌های درون آن حرکت کنند و جریان برق ایجاد شود. از نظر الکتریکی، یک سلول خورشیدی مثل یک دیود عمل میکند؛ یعنی در حالی که هنگام تابش نور خورشید جریان تولید می‌کند؛ آن را عمدتاً در یک جهت عبور می‌دهد.

از معادن سیلیکون تا برق شهری

سلول‌های خورشیدی نسل اول بر پایه‌ی صفحات کریستالی سیلیکون ساخته شده‌اند. این سلول‌ها از دو نوع نیمه‌رسانای آلایش‌یافته یعنی سیلیکون‌های نوع n (n-type) نوع p (p-type) ، تشکیل شده‌اند که با اتصال به هم پیوند p-n ایجاد می کنند. سیلیکون نوع p با افزودن عناصری مانند بور یا گالیم که نسبت به سیلیکون الکترون‌ کمتری در لایه‌ خارجی خود دارند، تولید می‌شود. از آن‌جا که این عناصر برای تشکیل پیوند با اتم‌های اطراف سیلیکون یک الکترون کم دارند، در ساختار آن‌ها جای خالی الکترون یا "حفره" ایجاد می‌شود. سیلیکون نوع n با افزودن عناصری مانند فسفر که الکترون اضافی دارند، ساخته می‌شود. فسفر دارای پنج الکترون در لایه‌ی خارجی است در حالی که سیلیکون تنها چهار الکترون دارد. بنابراین، یک الکترون آزاد باقی می‌ماند که می‌تواند در ساختار سیلیکون حرکت کند.

در نزدیکی ناحیه‌ تماس دو لایه، الکترون‌ها از لایه‌ نوع n به حفره‌های موجود در لایه‌ نوع p منتقل می‌شوند. این حرکت موجب ایجاد ناحیه‌ای به نام ناحیه‌ی تخلیه (depletion zone) در اطراف اتصال می‌شود، جایی که تعداد حامل‌های بار آزاد کاهش یافته و یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌شود. زمانی که حفره‌های متحرک در ناحیه تخلیه توسط الکترون‌های سمت نوع n پر می‌شوند، سمت نوع p که در ابتدا دارای حفره بود، از یون‌های پذیرنده با بار منفی پر می‌گردد. به طور معکوس سمت نوع n که در ابتدا شامل الکترون‌های آزاد بود، از یون‌های دهنده با بار مثبت پر می‌شود. این جدایش فضایی بارهای ثابت، یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌کند که از پر شدن حفره‌های ناحیه نوع p توسط الکترون‌های ناحیه نوع n جلوگیری می‌کند. برای آن که الکترون‌های ناحیه نوعn بتوانند به ناحیه نوع p برسند، لازم است یک ولتاژ بایاس مستقیم خارجی اعمال شود تا بر سد پتانسیل ایجاد شده توسط میدان الکتریکی داخلی غلبه کند.

زمانی که نور خورشید توسط نیمه‌رسانای دارای پیوند p-n جذب می‌شود، زوج‌های الکترون و حفره تولید می‌شوند. الکترون‌ها از ناحیه‌ی n به سمت اتصال‌های فلزی حرکت کرده و درون مدار خارجی جریان می‌یابند. سپس از انتهای مسیر، به ناحیه‌ی p باز می‌گردند و در نهایت با حفره‌ها ترکیب می‌شوند. این جریان الکترون همان جریان برق تولیدی از سلول خورشیدی است.

بازیکن جدیدی پا به میدان می‌گذارد

برای دهه‌ها، سیلیکون، با پنل‌هایی به رنگ آبی که روی پشت‌بام‌ها و مزارع خورشیدی نصب می‌شدند، بازیگر اصلی فناوری خورشیدی بود. اگرچه سیلیکون فناوری قابل اطمینانی است، اما محدودیت‌هایی دارد: سخت و شکننده است، تولید آن گران تمام می‌شود و نمونه‌های آن به سقف بازده نظری خود نزدیک شده‌اند. در سال‌های اخیر، رقیب جدیدی به نام سلول‌ خورشیدی پروسکایتی به صحنه آمده است که ممکن است عرصه فناوری خورشیدی را متحول کند.

پروسکایت به گروهی از مواد با ساختار کریستالی خاص گفته می‌شود. رایج‌ترین نمونه‌ آن متیل‌آمونیوم سرب یدید(CH₃NH₃PbI₃) است. این مواد در جذب نور و تولید جریان الکتریسیته بسیار مؤثر عمل کرده‌اند. از زمان اولین استفاده از پروسکایت در سلول خورشیدی در سال ۲۰۰۹، بازده تبدیل انرژی آن‌ها از حدود چهار درصد به بیش از ۲۵ درصد در شرایط آزمایشگاهی افزایش یافته است که روندی فوق‌العاده سریع برای یک ماده‌ فوتوولتائیک جدید به حساب می‌آید. ماده فوتوولتائیک به ماده‌ای گفته می‌شود که توانایی تبدیل مستقیم نور خورشید به انرژی الکتریکی را دارد.

جامعه‌ی علمی فعال در حوزه‌ی سلول‌های خورشیدی عمدتاً بر پروسکایت‌هایی تمرکز کرده‌اند که در فرمول شیمیایی آن‌ها، یک کاتیون (بخشی که تمایل دارد الکترون‌های خود را از دست بدهد) مانند متیل‌آمونیوم (MA)، فرم‌آمیدینیوم (FA)، سزیم (Cs) یا روبیدیوم (Rb) وجود داشته، یک فلز سنگین مانند سرب (Pb) یا قلع (Sn) دارند و هم‌چنین یک آنیون (بخشی که تمایل دارد الکترون‌ به دست بیاورد)های خاصی مانند کلر (Cl)، برم (Br) یا ید (I) را شامل می‌شوند.

از جمله پژوهشگرانی که در این زمینه فعالیت دارند، محمد نذیرالدین، استاد شیمی‌دان دانشگاه پلی‌تکنیک فدرال لوزان(EPFL) در سوئیس است. او که در ابتدا با کارهایش روی سلول‌های خورشیدی حساس به رنگدانه (dye-sensitized solar cells) شناخته شده بود، پس از ظهور پروسکایت‌ها، تمرکز خود را به این حوزه معطوف کرد.

پروسکایت، نمونه آزمایشگاهی یا تولید انبوه

بیش از یک دهه پیش، این بلورهای هیبریدی آلی-غیرآلی (پروسکایت‌ها) چیزی بیش از یک کنجکاوی آزمایشگاهی نبودند. امروزه آن‌ها به‌عنوان جدی‌ترین جایگزین برای سیلیکون در نظر گرفته می‌شوند. دلیل این محبوبیت، ترکیب سه ویژگی بازده بالا، هزینه ساخت پایین و انعطاف‌پذیری چشمگیر آن‌ها است.

با وجود مزایای چشم‌گیر این مواد، معایب قابل اهمیتی نیز دارند. یکی از مشکلات ماندگار در سلول‌های پروسکایتی، مسئله‌ی پایداری است. اگرچه این مواد در جذب نور و تولید جریان بسیار کارآمد هستند، اما در برابر رطوبت، اکسیژن و گرما به‌شدت آسیب‌پذیرند. در مطالعه‌ای کلیدی که در Nature Chemistry منتشر شد، نذیرالدین راهکاری برای این مشکل تحت عنوان "اصلاح سطح بلورهای پروسکایت با مولکول‌های خاصی به نام آلکیل‌فسفونیک اسید ω-آمونیوم کلراید (alkylphosphonic acid ω-ammonium chlorides)" پیشنهاد کرد. این ترکیبات مانند پل‌های مولکولی عمل کرده و لبه‌های بلورها را به هم متصل می‌کنند تا ساختاری یکپارچه‌تر و مقاوم‌تر تشکیل دهند. در آن مطالعه، سلول‌های خورشیدی اصلاح شده با این ماده، پس از یک هفته قرارگیری در رطوبت ۵۵ درصد، بیش از ۸۰ درصد از بازده اولیه خود را حفظ کردند، در حالی که سلول‌های بدون این اصلاح به‌سرعت دچار افت عملکرد شدند.

نذیرالدین همچنین روی بهبود روش‌های ساخت سلول‌های پروسکایتی تمرکز کرده است. روش‌های سنتی ایجاد لایه‌ جذب‌کننده‌ نور، اغلب لایه‌های نازک ناهموار با کیفیت متغیر تولید می‌کردند. یکی از نمونه‌های برجسته در کار او، توسعه و به‌کارگیری روش رسوب‌دهی مرحله‌ای (sequential deposition) است. فرایندی دو مرحله‌ای که در آن ابتدا یک لایه از یدید سرب ایجاد می‌شود و سپس با قرارگیری در معرض محلول هالید آلی به پراوسکایت تبدیل می‌شود. این روش امکان کنترل بیشتر بر تشکیل بلورها و یکنواختی بهتر در دستگاه نهایی را فراهم می‌سازد.

علاوه بر رفع مشکلات عملکردی و فرایندی، نذیرالدین استفاده از ترکیبات پروسکایتی بدون سرب یا با سرب کم را نیز بررسی کرده است تا خطرات زیست‌ محیطی ناشی از این عنصر سمی کاهش یابد. اگرچه بازده این جایگزین‌های بدون سرب هنوز از نمونه‌های سرب‌دار پایین‌تر است، اما این پژوهش گامی در جهت ترکیب عملکرد بالا و پایداری محیط‌ زیستی به ‌شمار می‌رود.

پروسکایت‌ها تنها یک توسعه فنی نیستند، بلکه یک نوآوری اجتماعی نیز محسوب می‌شوند. آن‌ها قادرند امکان تأمین برق ارزان و قابل اطمینان در مناطق محروم، کاهش وابستگی جهانی به سوخت‌های فسیلی و ارتقای عدالت انرژی را فراهم ‌کنند. پیشرفت‌هایی که در حوزه‌ی شیمی سطح، روش‌های فرآوری و مهندسی مواد حاصل شده‌اند، احتمالاً مسیر و امکان‌پذیری این فناوری نوظهور را در سال‌های آینده شکل خواهند داد. با ادامه‌ی پژوهش‌ها در زمینه‌ی پایداری، مقیاس‌پذیری و ایمنی مواد، پروسکایت‌ها ممکن است در آینده‌ی نزدیک به رقیبی جدی برای سیلیکون در کاربردهای گوناگون از جمله پنل‌های خورشیدی در ساختمان‌ها و دستگاه‌های سبک و منعطف، تبدیل شوند.

انتهای پیام/