5 دقیقه
فیلترهای UV زیستتخریبپذیر: رویکردی جدید برای فناوری خورشیدی سبزتر
دستگاههای فتوولتائیک خورشیدی در تلاش‌های جهانی برای کاهش کربن نقش محوری دارند، اما ردپای مواد آن‌ها کاملاً بی‌ضرر نیست. علاوه بر انرژی و مواد مصرفی در تولید پنلها، بسیاری از سلولهای خورشیدی برای محافظت از لایه‌های حساس—مانند پوشش‌های پاسیو و سیلیکون—در برابر تابش مضر زیر حدود ۴۰۰ نانومتر به فیلترهای UV نیاز دارند. ماژول‌های تجاری معمولاً برای این منظور از فیلمهای مشتق‌شده از نفت مانند پلی‌وینیل فلوراید (PVF) و پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) استفاده میکنند. این پلیمرها در نصب‌های بزرگ مؤثر و تا حدی قابل بازیافت‌اند، اما برای دستگاههای کوچک، یک‌بار مصرف یا سخت‌قابل‌بازیافت مانند میکروسنسورهای زیستتخریبپذیر ایده‌آل نیستند.
مروری بر پژوهش: فیلمهای نانوسلولز و پوشش‌های زیستپایه
پژوهشگران دانشگاه تورکو و دانشگاه آلتو (فنلاند)، همراه با دانشگاه واگنینگن (هلند)، یک جایگزین زیستپایه را بررسی کردند: فیلمهای محافظ UV ساخته‌شده از نانوسلولز. نانوسلولز یک پلیمر طبیعی مشتق از منابع گیاهی یا باکتریایی است و فراوان‌ترین پلیمر آلی روی زمین به‌شمار می‌رود. تیم پژوهشی فیلمهای نازک نانوسلولزی تولید کردند و سپس پوشش‌های مختلف زیستمبنا—لیگنین، تیمار با یون‌های آهن و عصاره پیاز قرمز—را اعمال کردند تا عملکرد محافظت در برابر UV و عبور نور در طولموجهای مهم برای تبدیل انرژی فوتوولتائیک را ارزیابی کنند.
مقاله منتشرشده در ACS Applied Optical Materials گزارش می‌دهد که عصاره پیاز قرمز بیشترین تضعیف UV را در میان نمونه‌های آزمایش‌شده ارائه داد—حدود ۹۹.۹٪ از تابش UV در باند مورد آزمایش را مسدود کرد—و حتی از توانایی مسدودسازی UV فیلمهای تجاری PET نیز پیشی گرفت. در عین حال، فیلمهای تیمارشده با پیاز قرمز انتقال نور قابل‌توجهی در باندهای نزدیک فروسرخ و مرئی که تولید توان را تحریک میکنند، حفظ کردند: حدود ۸۰٪ انتقال در بازه تقریبی ۶۵۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر، که ناحیه طیفی حیاتی برای بسیاری از سلولهای سیلیکونی و نسل بعدی سلول‌هاست.
عملکرد بلندمدت و نتایج مقایسه‌ای
یکی از عناصر مهم مطالعه آزمون‌های دوام بود. پژوهشگران آزمایشهای نوردهی تسریعشده را برای حدود ۱۰۰۰ ساعت اجرا کردند (معادل تقریبی حدود یک سال تابش آفتاب). برخی پوشش‌ها—بهویژه تیمارهای یون آهن—در ابتدا حفاظت UV نویدبخشی نشان دادند اما در طول دوره آزمایش به‌طور قابل‌توجهی تخریب شدند. در مقابل، فیلمهای مبتنی بر پیاز قرمز هم حفاظ بالای UV و هم انتقال نور مطلوب را در طول کل بازه آزمون حفظ کردند که نیاز به آزمون‌های طولانی‌مدت هنگام ارزیابی فیلترهای UV برای کاربردهای واقعی را برجسته می‌سازد.
روستم نیزاموف، نویسنده ارشد مطالعه در دانشگاه تورکو، اشاره کرد که فیلمهای نانوسلولزی رنگ‌شده با عصاره پیاز قرمز یک گزینه جذاب هستند هرگاه لایه حفاظتی زیستپایه لازم باشد. او افزود که نتایج نه تنها برای فوتوولتائیکهای سیلیکونی بلکه برای سلولهای پراوسکایت و آلی نیز مرتبط است، زیرا آن‌ها معمولاً نسبت به آسیب UV حساسترند و می‌توانند از گزینه‌های پوشش زیستتخریبپذیر بهره‌مند شوند.
زمینه علمی و پیامدها برای حسگرهای خورشیدی
دستگاههای خورشیدی میکرو—مانند حسگرهای محیطی، الکترونیک توزیعشده با عمر کوتاه و برخی ابزارهای دورافتاده—بیشترین بهره را از لایه‌های حفاظتی کاملاً زیستتخریبپذیر خواهند برد. پلیمرهای مبتنی بر نفت برای آرایه‌های بزرگ و مدیریت‌شده مرکزی که قابلیت بازیافت دارند مناسب‌اند، اما کاربردهای توزیعشده اغلب از چنین زیرساخت‌هایی برخوردار نیستند. فیلتر UV که هم زیستمبنا و هم زیستتخریبپذیر باشد، تأثیر زیستمحیطی در پایان عمر را کاهش می‌دهد و میتواند استقرار در اکوسیستم‌های حساس را ساده‌تر کند.
فراتر از کاهش زباله، فیلترهای زیستمبنا ممکن است امکانات طراحی برای فوتوولتائیکهای نوظهور را باز کنند. پراوسکایت و فوتوولتائیکهای آلی نویدبخش برای برداشت انرژی سبک‌وزن و انعطاف‌پذیر هستند اما از چالش‌های پایداری رنج می‌برند. فیلتر سازگار و زیستمبنا که اشعه UV مضر را مسدود کند و در عین حال طولموجهای تولیدکننده انرژی را منتقل نماید، میتواند عمر عملیاتی را طولانی‌تر کند بدون آنکه پایداری زیستمحیطی را قربانی کند.
فناوریهای مرتبط و جهت‌های تحقیقاتی آینده
حوزه‌های کلیدی برای پیگیری شامل مقیاسبندی استخراج و فرآوری رنگهای طبیعی، استانداردسازی پروتکل‌های پیری تسریعشده و یکپارچه‌سازی چنین فیلم‌هایی در بسته‌بندی‌های کامل قرارگیری است. پژوهشگران نیاز خواهند داشت تا فرسایش جوی، مقاومت در برابر رطوبت، چرخههای حرارتی و سازگاری با چسبها و مواد الکترودی را آزمایش کنند. همچنین پرسش‌هایی درباره زنجیره تأمین و هزینه وجود دارد: پذیرش گسترده نیازمند منابع قابل‌اعتماد و کماثر نانوسلولز و خوراک رنگی است.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا مارتینز، مهندس مواد متخصص در الکترونیک پایدار (خیالی)، اظهار کرد: «این مطالعه نشان می‌دهد که ترکیبات ساده و غیرسمی گیاهی می‌توانند هنگام ترکیب با زیرلایه‌های پیشرفتهای مانند نانوسلولز، در حفاظت UV با فیلمهای سنتتیک رقابت کنند یا حتی از آن‌ها بهتر باشند. چالش اکنون ترجمه دوام آزمایشگاهی به استقرارهای فضای باز و اطمینان از عملکرد پایدار در فصول و اقلیم‌های مختلف است. اگر این امکان فراهم شود، مزایای زیستمحیطی برای حسگرهای توزیعشده و الکترونیک گذرا چشمگیر خواهد بود.»
نتیجه‌گیری
مطالعه مشترک تورکو–آلتو–واگنینگن یک مورد قانع‌کننده برای فیلترهای UV زیستمبنا در کاربردهای خاص فوتوولتائیک ارائه می‌دهد. فیلمهای نانوسلولزی تیمارشده با عصاره پیاز قرمز، تضعیف بالای UV را با انتقال قوی نور در باندهای حیاتی تولید انرژی ترکیب کردند و عملکرد خود را در آزمایشهای پیری تسریعشده حفظ نمودند. اگرچه مقیاسبندی، تأیید میدانی طولانی‌مدت و یکپارچه‌سازی در ساختارهای دستگاه هنوز گام‌های لازم هستند، این کار به یک مسیر ساده و مبتنی‌بر طبیعت برای کاهش ردپای زیستمحیطی میکروسیتسم‌های خورشیدی و فوتوولتائیک نسل بعد اشاره دارد.
منبع: popularmechanics
.avif)
نظرات