برای اولین بار پنل های خورشیدی بدون سرب ساخته شدند


کد خبر: ۱۲۵,۷۶۷

تاریخ انتشار : پنجشنبه ۱۷ شهریور ۱۴۰۱ – ۱۳:۴۶

این پنل های خورشیدی بدون سرب نه تنها انرژی خورشید را به خوبی جذب می کنند، بلکه دارای یک میدان الکتریکی طبیعی هستند که خود به خود تشکیل می شود. این برای صنعت الکترونیک بسیار هیجان انگیز است.

تقدیم به شبکه علمی ثریا – پنل های خورشیدی که به عنوان سلول های فتوولتائیک نیز شناخته می شوند، برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق به دستگاه های نیمه هادی یا سلول های خورشیدی متکی هستند. برای تولید الکتریسیته، سلول های خورشیدی به میدان الکتریکی نیاز دارند تا بارهای مثبت را از بارهای منفی جدا کنند. برای دستیابی به این زمینه، سازندگان معمولا سلول های خورشیدی را با مواد شیمیایی می سازند تا یک لایه دستگاه دارای بار مثبت و لایه دیگر دارای بار منفی باشد. این طراحی چند لایه جریان الکترون را از سمت منفی دستگاه به سمت مثبت تضمین می کند که عاملی کلیدی در پایداری و عملکرد دستگاه است. اما استفاده از مواد شیمیایی و سنتز چند لایه مراحل پرهزینه ای را به تولید سلول های خورشیدی اضافه می کند. اکنون، تیمی از محققان به رهبری دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (DOE) با همکاری دانشگاه کالیفرنیا راه حل منحصر به فردی پیدا کرده اند که رویکرد ساده تری برای تولید سلول های خورشیدی ارائه می دهد. آنها با استفاده از یک ماده کریستالی و دستگاهی با میدان الکتریکی به سمت داخل، خاصیتی را ایجاد کردند که دانشمندان آن را فروالکتریک می نامند.

یک ماده هیدروالکتریک جدید تولید شده در آزمایشگاه از سزیم و تری برومید ژرمانیوم راه را برای یک رویکرد آسان تر برای ساخت دستگاه های سلول خورشیدی باز می کند. برخلاف مواد معمولی، کریستال‌های CGB ماهیتی دوقطبی دارند و یک طرف کریستال بارهای مثبت و طرف دیگر بارهای منفی تولید می‌کند. هالید پروسکایت بدون سرب علاوه بر الکترواکتیو بودن (CGB)، یک کلاس نوظهور از مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی است که به دلیل مقرون به صرفه بودن و نصب آسان در مقایسه با سیلیکون، محققان را به خود جلب کرده است. اما بسیاری از هالیدهای پروسکایت با عملکرد بهتر به طور طبیعی حاوی عنصر سرب نیز هستند. به گفته محققان، باقی مانده سرب حاصل از تولید و دفع این مواد در سلول های خورشیدی می تواند محیط زیست را آلوده کند و باعث نگرانی های بهداشتی و عمومی شود. به این دلایل، محققان به دنبال فرمولاسیون پروسکایت هالید هستند که بدون کاهش عملکرد، استفاده از سرب را حذف کند.

اگر بتوانید یک ماده بدون سرب را در یک سلول خورشیدی تصور کنید، می بینید که نه تنها انرژی خورشید را به خوبی جذب می کند، بلکه دارای یک میدان الکتریکی طبیعی است که خود به خود تشکیل می شود. این برای صنعت الکترونیک بسیار هیجان انگیز است. . او هست. این کار توسط Bidong Yang، متخصص برجسته نانومواد در زمینه نانوسیم های نیمه هادی یک بعدی برای فناوری های جدید سلول های خورشیدی و فتوسنتز مصنوعی انجام شده است. او دانشمند ارشد دانشکده علوم و مهندسی مواد در آزمایشگاه برکلی و استاد شیمی و علم و مهندسی مواد در دانشگاه کالیفرنیا است. (CGB) می‌تواند نسل جدیدی از سوئیچ‌ها، حسگرها و حافظه‌های بسیار پایدار و پاسخ‌گوی نور را ارتقا دهد.

هالیدهای پروسکایت معمولاً با استفاده از روش‌های پوشش‌دهی محلول کم‌هزینه مانند پوشش اسپین یا چاپ جوهر افشان تولید می‌شوند و برخلاف سیلیکون که برای تولید به دمای پردازش حدود ۲۷۳۲ درجه فارنهایت نیاز دارد، پروسکایت‌ها به راحتی در دمای حدود ۳۰۰ درجه فارنهایت پردازش می‌شوند. این دمای پردازش پایین به طور قابل توجهی هزینه های انرژی را کاهش می دهد. اما علیرغم استفاده رو به رشد آن در بخش خورشیدی، پروسکایت تا زمانی که محققان بر چالش های دیرینه خود در سنتز و پایداری محصول و مواد غلبه نکنند، آماده عرضه به بازار نیست. بلورهای پروسکایت از سه عنصر مختلف و هر کریستال پروسکایت دارای فرمول شیمیایی (ABX3) است. بیشتر مواد پروسکایت فروالکتریک نیستند زیرا ساختار اتمی کریستالی آنها مانند دانه های برف است. در چند دهه گذشته، محققان انرژی های تجدیدپذیر، مانند رامش و یانگ، به دنبال پروسکایت های عجیب و غریب با پتانسیل فروالکتریک، به ویژه پروسکایت های نامتقارن بوده اند.

چند سال پیش، چانگ، محقق و دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه UCLA، در مورد چگونگی ساخت پروسکایت فروالکتریک بدون سرب فکر کرد. او این فرضیه را مطرح کرد که قرار دادن یک اتم ژرمانیوم در وسط یک کریستال پروسکایت به اندازه کافی آن را تحریف می کند تا فروالکتریک تولید شود. علاوه بر این، پروسکایت بر پایه ژرمانیوم می تواند مواد سرب را آزاد کند. اما با وجود اینکه ژانگ در زمینه ژرمانیوم پیشرفت کرده بود، هنوز تردیدهایی وجود داشت. با این حال، ایجاد بهترین فرمول پروسکایت بدون سرب الکترولیتی مانند یافتن یک سوزن در انبار کاه است.

بنابراین یانگ، ژانگ و تیمشان با گریفین، دانشمندی در بخش ریخته‌گری مولکولی و علوم مواد در آزمایشگاه برکلی که در طراحی مواد جدید برای کاربردهای مختلف، از جمله محاسبات کوانتومی و میکروالکترونیک تخصص دارد، همکاری کردند. با حمایت پروژه مواد، گریفین از ابررایانه های مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی (NERSC) برای انجام محاسبات نظری پیشرفته بر اساس روشی به نام نظریه تابعی چگالی استفاده کرد. این محاسبات ساختار اتمی و گونه های شیمیایی را به عنوان ورودی می گیرند و می توانند خواصی مانند ساختار الکترونیکی و فروالکتریک را پیش بینی کنند. گریفین و تیمش (CGB)، تنها پروسکایت معدنی، از هر طرف بررسی کردند و امتیاز را به صفر رساندند. ساختار اتمی آن نامتقارن و لوزی مانند است و فرمول شیمیایی آن (CeGeBr3) با ساختار مشخصه پروسکایت (ABX3) مطابقت دارد. محققان فرض کردند که آرایش نامتقارن ژرمانیوم در مرکز کریستال پتانسیلی مانند میدان الکتریکی ایجاد می کند که الکترون های مثبت را از الکترون های منفی جدا می کند تا الکتریسیته تولید کند.

توان فروالکتریک (CGB):

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

در همین حال، آزمایش‌های اندازه‌گیری الکتریکی که توسط محقق ژانگ و برکلی دانشجوی فارغ‌التحصیل فیزیک در آزمایشگاه رامش اریک پارسونز انجام شد، قطبیت قابل تغییر (CGB) را نشان داد. اما جدیدترین آزمایش، اندازه گیری رسانایی نوری در آزمایشگاه دانشگاه کالیفرنیا، برکلی بود که نتیجه هیجان انگیز و شگفت انگیزی داشت. محققان دریافتند که جذب نور (CGB) قابل تنظیم است و محدوده نور مرئی UV (1.6 تا ۳ eV) را در بر می گیرد که محدوده ایده آلی برای دستیابی به راندمان تبدیل انرژی بالا در یک سلول خورشیدی است. چنین رشته ای به ندرت در فروالکتریک سنتی یافت می شود. قبل از استفاده از مواد CGB در یک سلول خورشیدی تجاری، کارهای بیشتری باید انجام شود. مواد فروالکتریک پروسکایت به طرز شگفت انگیزی همه کاره است. همه مشتاقانه منتظر آزمایش پتانسیل واقعی آن در یک دستگاه فتوولتائیک واقعی هستند.