6 دقیقه
سلولهای پروسکایت داخلی که نور اتاق را به برق تبدیل می‌کنند میتوانند بسیاری از دستگاه‌ها را بدون باتری کنند
پژوهشگران سلولهای خورشیدی مینیاتوری از جنس پروسکایت توسعه داده‌اند که میتوانند نور محیطی داخل ساختمان را به برق قابل‌استفاده تبدیل کنند و این کار را با بهرهوری قابلتوجهی بیشتر نسبت به فتوولتائیک‌های داخلی مبتنی بر سیلیکون انجام میدهند. این مطالعه که در تاریخ 30 آوریل در Advanced Functional Materials منتشر شد، نشان می‌دهد ترکیب‌های اختصاصی پروسکایت میتوانند انرژی را در روشنایی معمول دفاتر جذب کنند و عملکرد را در طول ماه‌ها حفظ کنند؛ که راهی ممکن برای قطعات بدون باتری مانند کیبوردها، آلارمها، حسگرهای بیسیم و دیگر دستگاههای کممصرف اینترنت اشیاء (IoT) باز میکند.
پیش‌زمینه علمی: چرا پروسکایت در فضاهای داخلی موثر است
پروسکایتها دسته‌ای از مواد کریستالی هستند که از قبل به‌خاطر جذب مؤثر نور و قابلیت تولید با فرایندهای محلول‌محور کم‌هزینه، مورد تحقیق گسترده قرار گرفته‌اند. برخلاف سلولهای رایج سیلیکونی که برای نور شدید خورشید بهینه شدهاند، فرمولاسیونهای پروسکایت را میتوان طوری تنظیم کرد که نور پراکنده و کم‌شدت داخل ساختمان را جذب کنند. تیم پژوهشی گزارش می‌دهد که سلولهای پروسکایت بهینهشده آنها در روشنایی 1,000 لوکس — تقریباً روشنایی یک دفتر خوب — به بازده تبدیل توان 37.6٪ دست یافته‌اند و در همان شرایط داخلی حدود شش برابر مؤثرتر از سلولهای معادل مبتنی بر سیلیکون بوده‌اند.
مواد کلیدی و چالشهای عملکردی
یکی از محدودیت‌های مواد پروسکایت نقصهای ساختاری معروف به «تله»ها بوده است — عیوب بسیار کوچک در شبکه کریستالی که حامل‌های بار (الکترون‌ها یا حفره‌ها) را به دام می‌اندازند. تله‌ها هم خروجی فوری الکتریکی را کاهش میدهند و هم تخریب بلندمدت را شتاب می‌بخشند زیرا جریان روان بار را در ماده قطع می‌کنند. برای رفع این موانع، تیم پژوهشی شیمی و فرآیندسازی پروسکایت را تغییر داد تا چگالی تله‌ها کاهش یابد و اجزای یونی که ممکن است در طول زمان مهاجرت یا جدا شوند، پایدار شوند.
جزئیات آزمایش و راهبردهای ترکیبی
برای کاهش نقص‌ها و بهبود پایداری، پژوهشگران ترکیبی از افزودنی‌ها و درمان‌های سطحی را معرفی کردند. کلرید روبیدیوم برای تشویق رشد کریستال یکنواخت‌تر استفاده شد که چگالی نقاط تله را کاهش داد. دو نمک آمونیوم آلی — N,N-dimethyloctylammonium iodide (DMOAI) و phenethylammonium chloride (PEACl) — به‌منظور پایدارسازی یون‌های یدید و برومید در شبکه پروسکایت اعمال شدند و از جدایش یونی که معمولاً منجر به تخریب میشود جلوگیری کردند. نویسندگان این مراحل را بازسازی پیوستگی در شبکه انتقال بار ماده توصیف می‌کنند، اثری که آن را به بازچینی یک کیک خردشده تشبیه می‌کنند تا بار الکتریکی بتواند آزادانه‌تر از آن عبور کند.
پس از این بهینه‌سازی‌های شیمیایی و فرآیندی، دستگاه‌ها پس از 100 روز آزمایش کنترلشده 92٪ از عملکرد اولیه خود را حفظ کردند. یک دستگاه کنترل پروسکایت که اقدامات کاهش نقص را نداشت، در همان بازه زمانی تنها 76٪ از خروجی اولیه خود را نگه داشت که نشاندهنده مزیت تثبیت‌کننده رویکرد جدید است.
پیامدها برای الکترونیک مصرفی و اینترنت اشیاء
الکترونیک کممصرف دسته‌ای بزرگ و در حال رشد از محصولات است که در حال حاضر متکی به باتری‌های یک‌بارمصرف یا قابل‌شارژ هستند. مجتبی عبدی جلبی، استاد همکار در مواد انرژی در مؤسسه کشف مواد کالج دانشگاهی لندن و نویسنده همکار مطالعه، اشاره میکند که میلیاردها دستگاه کوچک نیاز به نگهداری مکرر باتری دارند؛ امری که با گسترش استقرار اینترنت اشیاء هزینه‌های زیست‌محیطی آن افزایش می‌یابد. با فراهم کردن امکان برداشت انرژی از نور محیط داخل، فتوولتائیک‌های داخلی پروسکایت میتوانند زبالههای باتری را کاهش، هزینه مالکیت را پایین و طراحی دستگاه را ساده‌تر کنند.
مزایای بالقوه این فناوری شامل هزینه تولید پایین، استفاده از خوراک‌های فراوان در زمین و سازگاری با تکنیک‌های تولید مبتنی بر چاپ مشابه چاپ روزنامه است. تیم پژوهشی در حال حاضر مسیرهای مقیاس‌پذیری و تجاری‌سازی را با همکاران صنعتی بررسی میکند تا نتایج آزمایشگاهی را به محصولات عملی تبدیل کند.
فناوری‌های مرتبط و چشم‌انداز آینده
برداشت انرژی داخلی مکمل رویکردهای دیگر فیلم‌نازک و ذره‌نگر است که هدفشان تبدیل سطوح به مولدهای کوچک مقیاس توان است — از پوشش‌های فوق‌نازک خورشیدی برای قاب گوشی تا فیلم‌های PV تقویت‌شده با نانوذرات برای خودروها. ترکیب سلولهای داخلی پروسکایت با الکترونیک کممصرف، ابرخازن‌ها یا ذخیره‌سازی انرژی میکرو می‌تواند دستگاههای خودپایانی ایجاد کند که هرگز نیاز به تعویض باتری بیرونی نداشته باشند. موانع باقیمانده شامل پایداری بلندمدت در شرایط واقعی (نوسانات دما، رطوبت، تنش مکانیکی) و تولید امن و مقیاس‌پذیر است که پیش‌ماده‌های سمی یا فرّار را کنترل کند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا واسکز، دانشمند مواد در یک مؤسسه تحقیقاتی بزرگ، در مورد اهمیت مطالعه چنین اظهار کرد: «دستیابی به بازدهی نزدیک به 40٪ در روشنایی معمول داخلی یک نقطه عطف قابل‌توجه است. ترکیب پاسیو سازی نقص و تثبیت یون که در اینجا پیاده‌سازی شده، دو ضعف پایدار پروسکایتها را هدف قرار می‌دهد: گیر افتادن بار و مهاجرت یونی. با این حال، نشان دادن قابلیت اطمینان چندساله در محیط‌های روزمره گام تعیین‌کننده بعدی خواهد بود قبل از اینکه بتوانیم انتظار پذیرش گسترده در الکترونیک مصرفی را داشته باشیم.»
ملاحظات عملی و گام‌های بعدی
حتی با وجود نتایج امیدوارکننده آزمایشگاهی، چندین گام ترجمه‌ای باقی مانده است. بستهبندی دستگاه باید لایه‌های پروسکایت را از رطوبت و آسیب مکانیکی محافظت کند در حالی که هزینه‌ها را پایین نگه دارد. تولیدکنندگان نیاز خواهند داشت تا تأثیرات چرخه عمر را در مقایسه با منابع باتری فعلی و مسیرهای بازیافت ارزیابی کنند. تیم پژوهشی قصد دارد تکنیک‌های رسوب‌گذاری مقیاس‌پذیر را بهینه کند و با شرکای صنعتی همکاری کند تا ماژول‌هایی برای آزمایش‌های میدانی در منازل و دفاتر پایلوت کند.
نتیجه‌گیری
سلولهای خورشیدی داخلی جدید پروسکایت مسیر قابل‌باوری برای تأمین توان الکترونیک‌های کوچک با استفاده از نور محیطی اتاق نشان میدهند. با کاهش نقصهای ناشی از تله‌ها و تثبیت اجزای یونی، پژوهشگران به‌طور قابلتوجهی هم کارایی و هم دوام کوتاهمدت را بهبود بخشیده‌اند، به‌طوری‌که 37.6٪ تبدیل در 1,000 لوکس و حفظ 92٪ پس از 100 روز به‌دست آمده است. اگر تولیدکنندگان بتوانند تولید را مقیاس کنند و قابلیت اطمینان بلندمدت را تأیید کنند، فتوولتائیک‌های داخلی مبتنی بر پروسکایت میتوانند راه‌حلی عملی و کم‌هزینه برای کاهش وابستگی به باتری در طیف گسترده‌ای از دستگاههای اینترنت اشیاء و خانگی شوند.
منبع: livescience
.avif)
نظرات