لِو پروفسکی

به گزارش می‌متالز، در طول تاریخ، دانشمندان مرز‌های درک بشر را جابه‌جا کرده‌اند، جوامع را دگرگون و مسیر تاریخ را تغییر داده‌اند. از پیشرفت در فیزیک و زیست‌شناسی تا اکتشافات انقلابی در پزشکی و فناوری، این رؤیاپردازان، علم مدرن را پایه‌ریزی و جهان را به شکلی که ما می‌شناسیم، دگرگون کرده‌اند. به‌عنوان مثال داستان الکساندر فلمینگ و کشف کاملاً تصادفی پنی‌سیلین او به ما یادآوری می‌کند که گاهی تغییرات انقلابی با چهره‌های غیرمنتظره آغاز می‌شود. هم‌چنین ماده‌ای که به پاس زحمات کاونت لو پروسکی، معدن‌شناس روس به نام او نام‌گذاری شده است، آینده بشریت را متحول می‌کند. پروسکایت (Perovskite) در سال ۱۸۳۹ میلادی توسط گوستاو رز (Gustavus Rose) معدن‌شناس دانشگاه برلین کشف شد. پروسکایت همان CaTiO۳ است، ولی مواد معدنی بسیاری که ساختاری شبیه به آن یعنی ABX۳ دارند نیز پروسکایت نام‌گذاری می‌شوند. ساختار پروسکایت در شکل شماره ۱ به تصویر کشیده شده است.

چرا پروسکایت مهم است و قرار است چه نقشی در آینده بازی کند؟ می‌گویند مقدار نوری که در یک ساعت از خورشید به زمین می‌تابد، آن‌قدر انرژی دارد که می‌تواند برق کل دنیا را به مدت یک سال تأمین کند. اما چرا این اتفاق نمی‌افتد؟ چرا آن‌قدر پنل خورشیدی تولید نمی‌کنیم که برای همیشه از دردسر سوخت‌های فسیلی و معضل گرمایشی جهانی رها شویم؟ برای پاسخ به این سؤال بهتر است با باند‌های انرژی فلزات، نیمه‌رسانا و عایق‌ها بیشتر آشنا شویم.

در شکل شماره ۲ این باند‌ها به تصویر کشیده شده‌اند.

باند ظرفیت (Valence band)، بالاترین سطوح انرژی را در جایی که الکترون‌ها وجود دارند نگه می‌دارد؛ درحالی‌که نوار رسانایی (Conduction band) پایین‌ترین سطوح انرژی را دارد که هنوز توسط الکترون‌ها اشغال نشده‌اند. شکاف انرژی بین بالای نوار ظرفیت و پایین نوار رسانایی را باند شکاف (Band gap) می‌گویند. در یک رسانا، باند شکاف وجود ندارد، زیرا نوار ظرفیت کاملاً پر نیست و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد آزادانه در مواد حرکت کنند. عایق‌ها دارای یک شکاف باند بسیار بزرگ هستند، به این معنی که انرژی زیادی برای پرش الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانایی لازم است و از حرکت آسان آنها جلوگیری می‌کند. در نیمه‌هادی‌ها، شکاف باند بسیار کوچک‌تر است، بنابراین فقط مقدار کمی انرژی برای حرکت برخی از الکترون‌ها به نوار رسانایی موردنیاز است که امکان رسانایی الکتریکی محدودی را فراهم می‌کند. سیلیکون نیمه‌رسانایی است که از آن برای تولید برق در پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شود. فوتون‌های نور خورشید که بر سلول خورشیدی می‌تابند، الکترون‌ها را تحریک می‌کنند و باعث می‌شوند که از باند ظرفیت به باند هدایت حرکت کنند و این‌گونه برق تولید می‌شود. اما نکته داستان اینجاست. باند شکاف سیلیکون ۱.۱ الکترون‌ولت است؛ به این معنی که تنها فوتون‌هایی که انرژی ۱.۱ الکترون‌ولت دارند از نور خورشید جذب می‌شود و فوتون‌هایی که انرژی بیشتر یا کمتری دارند، عملاً برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، فایده‌ای ندارند. به همین خاطر است که تنها مقدار کمی از نور خورشید را جذب می‌کنند و نمی‌توانند از همه آن استفاده کنند. پنل‌های خورشیدی مدرن با نرخ بهره‌وری ۲۲ تا ۲۴ درصد نشان‌دهنده جهش قابل‌توجهی در مقایسه با بازده ۶ درصدی است که توسط اولین سلول‌های خورشیدی عملی توسعه‌یافته در دهه ۱۹۵۰ به دست آمد. بااین‌حال، کارایی سلول‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون با محدودیت‌های نظری روبه‌رو است. حد شاکلی-کویسر (Shockley–Queisser limit) برای سیلیکون که حدود ۲۹ درصد است؛ به این معنی است که بخش بزرگی از انرژی خورشیدی به‌طور اجتناب‌ناپذیری به‌عنوان گرما از بین می‌رود. حتی در شرایط آزمایشگاهی ایدئال، دست‌یابی به این حداکثر بازده دشوار است و پنل‌های دنیای واقعی با در نظر گرفتن فضا‌های بین سلول‌های خورشیدی و اتلاف برق در سیم‌کشی به حدود ۲۶ درصد محدود می‌شوند.

بااین‌حال، به نظر می‌رسد آینده انرژی خورشیدی به لطف دسته جدیدی از سلول‌های خورشیدی ساخته‌شده از مواد پروسکایت، برای یک انقلاب آماده است. کارایی در جذب نور خورشید و سهولت ساخت با استفاده از مواد فراوان و کم‌هزینه سبب شده است که این سلول‌ها به کانون تحقیقاتی بدل شوند. برخلاف سلول‌های سیلیکونی که با سقف کارایی ۲۹ درصد محدود شده‌اند، سلول‌های تاندم (Tandem Cells) مبتنی بر پروسکایت که یک لایه پروسکایت را روی یک لایه سیلیکونی سنتی قرار می‌دهند، در شرایط آزمایشگاهی به سطوح بازدهی تا ۳۴.۶ درصد رسیده‌اند. این کاراییِ بیشتر به این دلیل است که سلول‌های تاندم می‌توانند طیف وسیع‌تری از نور را جذب کنند. لایه پروسکایت نور را در انتهای آبی جذب می‌کند؛ درحالی‌که سیلیکون زیر آن انتهای قرمز را جذب می‌کند. این رویکرد دولایه در مقایسه با استفاده از مواد به‌تنهایی، انرژی بیشتری را از نور خورشید استخراج می‌کند. سلول‌های تاندم پروسکایت از آزمایشگاه به تولید تجاری می‌روند و شرکت‌هایی مانند Oxford PV در این زمینه پیشرو هستند. پنل‌های تاندم اولیه آکسفورد PV به بازده ۲۶.۹ درصد رسیده‌اند و این شرکت انتظار دارد راندمان نسل‌های آینده از ۳۰ درصد فراتر رود. کارخانه آنها در آلمان عرضه این سلول‌ها را برای آزمایش در دنیای واقعی در آمریکا آغاز کرده است که اولین استقرار بزرگ‌مقیاس از این فناوری پیشرفته است. چندین شرکت دیگر، از جمله Hanwha در کره جنوبی و LONGi Green Energy Technology در چین، برای تجاری‌سازی نسخه‌های پنل‌های پروسکایت بر روی سیلیکون خود رقابت می‌کنند. به‌عنوان مثال، LONGi اخیراً با یک سلول تاندم در آزمایشگاه، بهره‌وری ۳۴.۶ درصد را به ثبت رسانده است و آنها در حال کار بر روی آوردن این سلول‌های با کارایی بالا به بازار هستند. جهش در بهره‌وری نه‌تن‌ها نوید قدرت بیشتر، بلکه بازگشت سریع‌تر سرمایه را نیز می‌دهد، زیرا سلول‌های تاندم نسبت به پنل‌های سیلیکونی معمولی برق بیشتری تولید می‌کنند. با توسعه مقیاس تولید، سلول‌های تاندم مبتنی بر پروسکایت می‌توان دوران جدیدی از بهره‌وری خورشیدی را آغاز کرد و انرژی خورشیدی را به راه‌حلی پایدارتر و قدرتمندتر برای نیاز‌های انرژی جهانی تبدیل کرد. در نتیجه، سلول‌های خورشیدی پروسکایت، با پتانسیل برای پیشی گرفتن از پنل‌های سیلیکونی سنتی و هزینه‌های تولید نسبتاً پایین، ممکن است به‌زودی بر صنعت انرژی خورشیدی تسلط یابند. اگر پروسکایت‌ها دوام و کارایی خود را در استقرار بزرگ‌مقیاس ثابت کنند، نویددهنده موج جدیدی از توسعه انرژی خورشیدی خواهند بود.

منابع:

1. https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/p/perovskite.html#:~:text=University%۲۰of%۲۰Berlin%۲۰mineralogist%۲۰Gustavus,mineralogist%۲۰and%۲۰nobleman%۲۰Lev%۲۰Perovski.
2. https://www.researchgate.net/figure/Cubic-Perovskite-Structure-of-formula-ABX۳-where-the-components-are-described-in-the_fig۱_۳۳۴۱۹۱۴۷۹،
3. https://www.ucdavis.edu/climate/definitions/how-is-solar-power-generated
4. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory#:~:text=The%۲۰valence%۲۰band%۲۰contains%۲۰the,gap'%۲۰ (Eg).
5. https://www.economist.com/science-and-technology/۲۰۲۴/۱۰/۲۱/perovskite-crystals-may-represent-the-future-of-solar-power

منبع: فولاد مبارکه اصفهان