برای اولین بار پنل‌های خورشیدی بدون سرب ساخته شد

به گزارش می‌متالز، پنل‌های خورشیدی که به عنوان فتوولتائیک نیز شناخته می‌شوند برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته به دستگاه‌های نیمه هادی یا سلول‌های خورشیدی متکی هستند. برای تولید برق، سلول‌های خورشیدی به یک میدان الکتریکی نیاز دارند تا بار‌های مثبت را از بار‌های منفی جدا کند. برای دستیابی به این میدان سازندگان معمولا سلول خورشیدی را با مواد شیمیایی می‌سازند تا یک لایه از دستگاه بار مثبت و لایه دیگر بار منفی داشته باشد. این طراحی چند لایه تضمین می‌کند که الکترون‌ها از سمت منفی دستگاه به سمت مثبت جریان یابند که این مساله عاملی کلیدی در پایداری و عملکرد دستگاه است. اما استفاده از مواد شیمیایی و سنتز لایه‌ای مراحل پرهزینه‌ای را به تولید سلول‌های خورشیدی اضافه می‌کند. اکنون، تیمی از محققان به رهبری دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (DOE) با همکاری دانشگاه کالیفرنیا راه حل منحصر به فردی را پیدا کرده اند که رویکرد ساده تری را برای تولید سلول‌های خورشیدی ارائه می‌دهد. استفاده از یک ماده کریستالی و یک دستگاه با میدان الکتریکی داخلی خاصیتی را ایجاد می‌کنند که دانشمندان آن را «فروالکتریک» می‌نامند.

ماده فروالکتریک جدید که در آزمایشگاه از تری‌برومید سزیم و ژرمانیوم تولید می‌شود راه را به روی رویکرد آسان‌تری برای ساخت دستگاه‌های سلول خورشیدی باز می‌کند. بر خلاف مواد معمولی کریستال‌های (CGB) ذاتاً دو قطبی هستند یک طرف کریستال بار‌های مثبت و طرف دیگر بار‌های منفی ایجاد می‌کند. علاوه بر فروالکتریک بودن (CGB) یک پروسکیت هالید بدون سرب است یک دسته نوظهور از مواد مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی که به دلیل مقرون به صرفه بودن و سهولت سنتز در مقایسه با سیلیکون محققان را مجذوب خود کرده است. اما بسیاری از پروسکیت هالید‌ها با بهترین عملکرد نیز به طور طبیعی حاوی عنصر سرب هستند. به گفته محققان بقایای سرب حاصل از تولید و دفع مواد در سلول‌های خورشیدی می‌تواند محیط‌زیست را آلوده کرده و نگرانی‌های بهداشتی و عمومی ایجاد کند. به این دلایل، محققان به دنبال فرمول‌های هالید پروسکیتی هستند که بدون کاهش عملکرداستفاده از سرب را کنار بگذارند.

اگر بتوانید یک ماده بدون سرب را در سلول‌های خورشیدی تصور کنید می‌بینید که نه تنها انرژی را از خورشید به خوبی در یافت می‌کند بلکه دارای یک میدان الکتریکی طبیعی است که خود به خود تشکیل شده است این موضوع برای صنایع الکترونیک بسیار هیجان انگیز است. این کار توسط پیدونگ یانگ، متخصص برجسته نانومواد در زمینه نانوسیم‌های نیمه هادی یک بعدی برای فناوری‌های جدید سلول‌های خورشیدی و فتوسنتز مصنوعی انجام شده است. او دانشمند ارشد دانشکده در بخش علوم و مواد آزمایشگاه برکلی و استاد شیمی و علم و مهندسی مواد در دانشگاه کالیفرنیا است. (CGB) می‌تواند نسل جدیدی از دستگاه‌های سوئیچینگ، حسگر‌ها و حافظه‌های فوق‌پایدار را که به نور پاسخ می‌دهند، ارتقا دهد.

پروسکیت هالید‌ها معمولاً با استفاده از روش‌های پوشش‌دهی محلول و کم‌هزینه مانند پوشش اسپین یا چاپ جوهر افشان ساخته می‌شوند و بر خلاف سیلیکون که برای تولید به دمای پردازش حدود ۲۷۳۲ درجه فارنهایت نیاز دارد پروسکیت‌ها به راحتی در دمای حدود ۳۰۰ درجه فارنهایت پردازش می‌شوند که این دمای پردازش پایین به طور چشمگیری هزینه‌های مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. اما پروسکیت‌ها علیرغم افزایش استفاده در بخش انرژی خورشیدی تا زمانی که محققان بر چالش‌های طولانی مدت آن‌ها در سنتز و پایداری محصول و پایداری مواد غلبه نکنند آماده بازار نیستند. پروسکیت‌ها از سه عنصر مختلف متبلور می‌شوند و هر کریستال پروسکیت با فرمول شیمیایی (ABX ۳) مشخص می‌شود. بیشتر مواد پروسکیت فروالکتریک نیستند، زیرا ساختار اتمی کریستالی آن‌ها مانند دانه‌های برف متقارن است. در چند دهه گذشته، محققان انرژی‌های تجدیدپذیر مانند رامش و یانگ در جستجوی پروسکیت‌های عجیب و غریب با پتانسیل فروالکتریک به ویژه پروسکیت‌های نامتقارن بودند.

چند سال پیش ژانگ که محقق و دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کالیفرنیا در آزمایشگاه بود به این فکر کرد که چگونه می‌تواند پروسکیت فروالکتریک بدون سرب بسازد. او این نظریه را مطرح کرد که قرار دادن یک اتم ژرمانیوم در مرکز پروسکیت بلورینگی آن را به قدری مخدوش می‌کند که فروالکتریسیته ایجاد می‌کند. علاوه بر این یک پروسکیت مبتنی بر ژرمانیوم می‌تواند مواد سرب را آزاد کند. اما با وجود اینکه ژانگ روی ژرمانیوم پیشرفت کرده بوداما هنوز ابهاماتی وجود داشت. به هر حال، ایجاد بهترین فرمول پروسکیت بدون سرب و فروالکتریک مانند یافتن یک سوزن در انبار کاه بود؛ بنابراین یانگ، ژانگ و تیم او با گریفین، دانشمند بخش ریخته‌گری مولکولی و علوم مواد آزمایشگاه برکلی که در طراحی مواد جدید برای کاربرد‌های مختلف، از جمله محاسبات کوانتومی و میکروالکترونیک تخصص داشت همکاری کردند. با پشتیبانی پروژه مواد، گریفین از ابررایانه‌های مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی (NERSC) برای انجام محاسبات نظری پیشرفته بر اساس روشی به نام تئوری چگالی عملکردی استفاده کرد. این محاسبات ساختار اتمی و گونه‌های شیمیایی را به‌عنوان ورودی می‌گیرد و می‌تواند ویژگی‌هایی مانند ساختار الکترونیکی و فروالکتریکی را پیش‌بینی کند. گریفین و تیمش (CGB) را که تنها پروسکیت غیرآلی است از تمام جنبه‌ها بررسی کردند وسرب آن را به صفر رساندند. ساختار اتمی آن نامتقارن و شبیه یک لوزی است و فرمول شیمیایی آن (CeGeBr ۳) با ساختار مشخص پروسکیت (ABX ۳) مطابقت دارد. محققان این نظریه را مطرح کردند که قرارگیری نامتقارن ژرمانیوم در مرکز کریستال پتانسیلی ایجاد می‌کند که مانند یک میدان الکتریکی، الکترون‌های مثبت را از الکترون‌های منفی جدا می‌کند تا الکتریسیته تولید کند.

اندازه گیری پتانسیل فروالکتریک (CGB):

برای پی بردن به این موضوع، ژانگ نانوسیم‌های کوچک با (قطر ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر) و نانو صفحاتی با قطر حدود (۶۰۰ نانومتر ضخامت و ۱۰ میکرون عرض) از (CGB) تک کریستالی را با کنترل و دقت استثنایی تولید کرد. یانگ می‌گوید: آزمایشگاه من سال‌هاست که در تلاش بوده تا بفهمد که چگونه سرب را با مواد دیگر جایگزین کند. آزمایشات اشعه ایکس در منبع نور پیشرفته، ساختار کریستالی نامتقارن (CGB) را نشان داد که یک سیگنال فروالکتریکی است. آزمایش‌های میکروسکوپ الکترونی نیز شواهد بیشتری از فروالکتریکی بودن (CGB) را کشف کرد. در این ساختار اتمی یک جابجایی در مرکز آن توسط ژرمانیوم انجام شده است.

در همین حال، آزمایش‌های اندازه‌گیری الکتریکی که در آزمایشگاه رامش توسط ژانگ و اریک پارسونت، محقق دانشجوی فارغ‌التحصیل فیزیک دانشگاه برکلی انجام شد یک قطبیت قابل تغییر در (CGB) را نشان داد. اما آزمایش نهایی اندازه‌گیری‌های رسانایی نوری در آزمایشگاه UC برکلی بود که نتیجه‌ای لذت‌بخش و شگفت‌انگیز داشت. محققان دریافتند که جذب نور (CGB) قابل تنظیم است و طیف نور مرئی تا فرابنفش (۱.۶ تا ۳ الکترون ولت) را در بر می‌گیرد که محدوده ایده آلی برای ایجاد راندمان تبدیل انرژی بالا در یک سلول خورشیدی است. چنین قابلیت تنظیمی به ندرت در فروالکتریک‌های سنتی یافت می‌شود. هنوز کار‌های بیشتری باید انجام شود تا مواد (CGB) بتوانند در یک سلول خورشیدی تجاری به کار روند. ماده فروالکتریک پروسکیت هالید به طرز شگفت‌آوری همه کاره است. همه مشتاقانه منتظر آزمایش پتانسیل واقعی آن در یک دستگاه فتوولتائیک واقعی هستند.

منبع: پول نیوز