ساخت مواد فتوولتائیک جدید برای پنل های خورشیدی فوق نازک و سبک
مواد فتوولتائیک جدید و فوق نازکی برای پنل های حورشیدی که توسط مهندسان دانشگاه استنفورد ساخته شده اند می‌توانند در نهایت در برنامه‌های تلفن همراه، از دستگاه‌های پوشیدنی و حسگرهای خودکار گرفته تا هواپیماهای سبک وزن و وسایل نقلیه الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند.
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، به نقل از مجله نیچر، رقابت شدیدی در مهندسی خورشیدی برای ایجاد پنل های خورشیدی تقریباً نازک و انعطاف پذیر در جریان است. این پنل های نازک می توانند در برنامه‌های کاربردی موبایل، از دستگاه‌های پوشیدنی و حسگرهای خودکار گرفته تا هواپیماهای سبک وزن و وسایل نقلیه الکتریکی بسیار پرکاربرد باشند. در مقابل این پس‌زمینه، محققان دانشگاه استنفورد به بازدهی بی سابقه ای در گروهی از مواد فتوولتائیک دست یافته‌اند.
مهمترین مزیت این دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (یا TMD) این است که سطوح فوق‌العاده‌ای از نور خورشید را در مقایسه با سایر مواد خورشیدی جذب می‌کنند.
کوشا نصیری نظیف، محقق دکتری مهندسی برق در استنفورد و یکی از نویسندگان مطالعه منتشر شده درنسخه ۹ دسامبر Nature Communications می گوید:
«پهپاد خودرانی را تصور کنید که با یک آرایه خورشیدی در بالای بال خود حرکت کند که ۱۵ برابر نازکتر از یک تکه کاغذ است. “این وعده TMD ها است.”
جستجو برای مواد جدید ضروری است چرا که معمول ترین مواد مورد استفاده در پنل های خورشیدی، سیلیکون، بسیار سنگین، حجیم و سفت و سخت است و برای محصولاتی مانند دستگاه‌های پوشیدنی و حسگرها یا وسایل نقلیه هوایی و الکتریکی که نیاز به انعطاف‌پذیری، وزن سبک و قدرت بالا دارند قابل استفاده نیست.
سیلیکون ۹۵ درصد بازار پنل های خورشیدی امروز را تشکیل می‌دهد، اما هنوز کامل نیست. کریشنا ساراسوات، استاد مهندسی برق و نویسنده ارشد مقاله، گفت: ما به مواد جدیدی نیاز داریم که سبک، قابل خم شدن و، دوستدار محیط زیست باشند.
یک جایگزین رقابتی
TMD ها بسیار امیدوار کننده ظاهر شده اند. آزمایش های تحقیقاتی که تا به امروز صورت گرفته برای تبدیل بیش از ۲ درصد از نور خورشید که جذب می کنند به الکتریسیته دچار مشکل شده اند. برای پانل های خورشیدی سیلیکونی، این عدد به ۳۰ درصد نزدیک می شود. ، TMD ها برای استفاده گسترده باید این شکاف را ببندند.
نمونه اولیه جدید استنفورد به بازده تبدیل توان ۵.۱ درصدی دست یافته است. اما محققان پیش بینی می کنند که با بهینه سازی نوری و الکتریکی عملاً می توانند به بازدهی ۲۷ درصدی برسند. این رقم با بهترین پنل های خورشیدی موجود در بازار امروزی، از جمله سیلیکون، برابری می کند.
علاوه بر این، نمونه اولیه نسبت قدرت به وزن ۱۰۰ برابر بیشتر از TMD هایی که هنوز توسعه یافته بود، دریافت کرده است. این نسبت برای برنامه‌های تلفن همراه مانند هواپیماهای بدون سرنشین، وسایل نقلیه الکتریکی و توانایی شارژ تجهیزات اعزامی در حال حرکت مهم است. هنگامی که به توان ویژه نگاه می کنیم – اندازه گیری توان الکتریکی خروجی در واحد وزن سلول خورشیدی – نمونه اولیه ۴.۴ وات بر گرم تولید کرده است، رقمی که با دیگر سلول های خورشیدی لایه نازک فعلی، از جمله سایر نمونه های آزمایشی دیگر قابل رقابت است.
ساراسوات میگوید: «ما فکر می‌کنیم که می‌توانیم این نسبت حیاتی را ده برابر دیگر از طریق بهینه‌سازی افزایش دهیم.» و افزود که آنها حد عملی سلول‌های TMD خود را ۴۶ وات بر گرم تخمین می‌زنند.
مزایای TMD ها
با این حال، بزرگترین مزیت آنها نازکی قابل توجه آنها است که نه تنها استفاده از مواد و هزینه را به حداقل می رساند، بلکه سلول های خورشیدی TMD را سبک وزن و انعطاف پذیر می کند. و می توانند به شکل های نامنظم – سقف ماشین، بال هواپیما یا بدن انسان – شکل بگیرند. تیم استنفورد توانست یک آرایه فعال تولید کند که تنها چند صد نانومتر ضخامت دارد. این آرایه شامل دیزلنید تنگستن TMD فتوولتائیک و سطوحی از طلا که توسط لایه‌ای از گرافن رسانا که فقط یک اتم ضخامت دارد پوشانده شده است می باشد؛ تمام چیزهایی که نیاز است بین یک پلیمر انعطاف پذیر و پوست مانند و یک پوشش ضد انعکاس قرار بگیردتا جذب نور را بهبود ببخشد.
وقتی سلول‌های TMD به طور کامل مونتاژ می‌شوند، ضخامت کمتر از شش میکرون دارند – تقریباً ضخامت یک کیسه زباله اداری سبک وزن. ۱۵ لایه روی هم آن ها به ضخامت یک تکه کاغذ میشود.
در حالی که نازکی، سبکی و انعطاف پذیری همگی به خودی خود اهداف بسیار مطلوبی هستند، TMD ها مزایای مهندسی دیگری نیز دارند. آنها در دراز مدت پایدار و قابل اعتماد هستند. و برخلاف دیگر رقبای تاج لایه نازک، TMD ها فاقد مواد شیمیایی سمی هستند.این TMD ها زیست سازگار هستند، بنابراین می توانند در کاربردهای پوشیدنی که نیاز به تماس مستقیم با پوست یا بافت انسان دارند، استفاده شوند.
آینده ای امیدوار کننده
مزایای بسیاری از TMD ها با جنبه های منفی خاص، عمدتاً در پیچیدگی های مهندسی تولید انبوه، مقابله می کند. فرآیند انتقال یک لایه فوق نازک از TMD به یک ماده پشتیبانی کننده انعطاف پذیر اغلب به لایه TMD آسیب می رساند.
آلوین داوس فرآیند انتقالی را ابداع کرده که آرایه‌های خورشیدی نازک TMD را به بستر انعطاف‌پذیر می‌چسباند. بنابر گفته ایشان این موضوع یک چالش فنی قابل توجه است. داوس، محقق فوق دکترا در گروه تحقیقاتی اریک پاپ در استنفورد، توضیح می دهد که این مرحله شامل انتقال لایه گرافن نازک اتمی روی یک بستر انعطاف‌پذیر با ضخامت چند میکرون است.
این فرآیند پیچیده باعث می شود که TMD به طور کامل در بستر انعطاف پذیری جاسازی شود که منجر به دوام بیشتر می شود. محققان انعطاف‌پذیری و استحکام دستگاه‌های خود را با خم کردن آنها در اطراف یک استوانه فلزی با ضخامت کمتر از یک سوم اینچ آزمایش کردند.
نصیری نظیف در پایان گفت: TMD های قدرتمند، منعطف و بادوام یک مسیر نویدبخش در فناوری خورشیدی هستند.
مرجع: «سلول‌های خورشیدی دی‌کالکوژنید فلزی انتقالی انعطاف‌پذیر با توان ویژه» توسط کوشا نصیری نظیف. آلوین داوس، جیهو هونگ، نایون لی، سام وزیری، آراویند کومار، فردریک نیتا. میشل ای چن، سیاوش کنعانیان، ررسول اسلام، کیوان -هو کیم، پارک جین هونگ، آدا سی پون، مارک ال. برونگرسما، اریک پاپ و کریشنا سی ساراسوات، ۹ دسامبر ۲۰۲۱، Nature Communications