مواد فتوولتائیک جدیدی که توسط دانشمندان استانفورد برای پنل های خورشیدی فوق نازک و سبک ساخته شده است.
مواد فتوولتائیک (به معنای تولید الکتریسیته از نور) جدید و فوق نازک می‌توانند در نهایت در برنامه‌های تلفن همراه، از دستگاه‌های پوشیدنی و حسگرهای خودکار گرفته تا هواپیماهای سبک وزن و وسایل نقلیه الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند.
مسابقه ای در مهندسی خورشیدی برای ایجاد پنل های خورشیدی تقریباً نازک و انعطاف پذیر در جریان است. چراکه مهندسان تصور می‌کنند که آنها در برنامه‌های کاربردی موبایل، از دستگاه‌های پوشیدنی و حسگرهای خودکار گرفته تا هواپیماهای سبک وزن و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند. در مقابل این پس‌زمینه، محققان دانشگاه استنفورد به بازدهی رکوردی در گروه امیدوارکننده‌ای از مواد فتوولتائیک دست یافته‌اند.
مهمترین مزیت این دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه - یا TMDs - این است که سطوح فوق‌العاده‌ای از نور خورشید را که به سطح آنها برخورد می‌کند در مقایسه با سایر مواد خورشیدی جذب می‌کنند.
کوشا نصیری نظیف، محقق دکتری مهندسی برق در استنفورد می گوید: «پهپاد خودرانی را تصور کنید که با یک آرایه خورشیدی در بالای بال خود حرکت کند که 15 برابر نازکتر از یک تکه کاغذ است. »
جستجو برای مواد جدید ضروری است زیرا سیلیکون به عنوان پادشاه حاکم مواد خورشیدی، بسیار سنگین، حجیم و سفت و سخت برای کاربردهایی که انعطاف‌پذیری، وزن سبک و قدرت بالا دارند برجسته است، مانند دستگاه‌های پوشیدنی و حسگرها یا وسایل نقلیه هوایی و الکتریکی.
جالب است بدانید که سیلیکون ۹۵ درصد بازار خورشیدی امروز را تشکیل می‌دهد، هرچند که هنوز به درصد کامل نرسیده است. کریشنا ساراسوات، استاد مهندسی برق در این مورد بیان کرده است: ما به مواد جدیدی نیاز داریم که سبک، قابل خم شدن و، صادقانه بگویم، دوستدار محیط زیست باشند.
یک جایگزین رقابتی
در حالی که TMD ها امید زیادی دادند، ولی آزمایش های تحقیقاتی تا به امروز برای تبدیل بیش از 2 درصد از نور خورشید که جذب می کنند به الکتریسیته دچار مشکل شده اند. برای پانل های خورشیدی سیلیکونی، این عدد به 30 درصد نزدیک می شود. و در این میان برای استفاده گسترده، TMD ها باید این شکاف را ببندند.
نمونه اولیه جدید استنفورد به بازده تبدیل توان 5.1 درصدی دست می یابد، اما محققان پیش بینی می کنند که با بهینه سازی نوری و الکتریکی عملاً می توانند به بازدهی 27 درصدی برسند. این رقم با بهترین پنل های خورشیدی موجود در بازار امروزی، از جمله سیلیکون، برابری می کند.
علاوه بر این، نمونه اولیه نسبت قدرت به وزن 100 برابر بیشتر از TMD ها دریافت کرده است، این نسبت برای برنامه‌های تلفن همراه مانند هواپیماهای بدون سرنشین، وسایل نقلیه الکتریکی و توانایی شارژ تجهیزات اعزامی در حال حرکت مهم است. هنگامی که به توان ویژه نگاه می کنیم - اندازه گیری توان الکتریکی خروجی در واحد وزن سلول خورشیدی - نمونه اولیه 4.4 وات بر گرم تولید کرد، رقمی که با دیگر سلول های خورشیدی لایه نازک فعلی، از جمله سایر نمونه های آزمایشی دیگر قابل رقابت است.
ساراسوات میگوید: «ما فکر می‌کنیم که می‌توانیم این نسبت حیاتی را ده برابر دیگر از طریق بهینه‌سازی افزایش دهیم.» و افزود که آنها حد عملی سلول‌های TMD خود را 46 وات بر گرم تخمین می‌زنند.
مزایای اضافی
با این حال، بزرگترین مزیت آنها نازکی قابل توجه آنها است که نه تنها استفاده از مواد و هزینه را به حداقل می رساند، بلکه سلول های خورشیدی TMD را سبک وزن و انعطاف پذیر می کند و می توانند به شکل های نامنظم - سقف ماشین، بال هواپیما یا بدن انسان - شکل بگیرند. تیم استنفورد توانست یک آرایه فعال تولید کند که تنها چند صد نانومتر ضخامت دارد. این آرایه شامل دیزلنید تنگستن TMD فتوولتائیک و تماس‌هایی از طلا است که توسط لایه‌ای از گرافن رسانا که فقط یک اتم ضخامت دارد پوشانده شده است. همه چیزهایی که بین یک پلیمر انعطاف پذیر و پوست مانند و یک پوشش ضد انعکاس قرار می گیرد که جذب نور را بهبود می بخشد.
وقتی سلول‌های TMD به طور کامل مونتاژ می‌شوند، ضخامت کمتر از شش میکرون دارند ( تقریباً ضخامت یک کیسه زباله اداری سبک وزن. 15 لایه طول می کشد تا به ضخامت یک تکه کاغذ برسد.)
در حالی که نازکی، سبکی و انعطاف پذیری همگی به خودی خود اهداف بسیار مطلوبی هستند، TMD ها مزایای مهندسی دیگری نیز دارند. آنها در دراز مدت پایدار و قابل اعتماد هستند. و برخلاف دیگر رقبای تاج لایه نازک، TMD ها فاقد مواد شیمیایی سمی هستند. آنها همچنین زیست سازگار هستند، بنابراین می توانند در کاربردهای پوشیدنی که نیاز به تماس مستقیم با پوست یا بافت انسان دارند، استفاده شوند.
آینده امیدوار کننده
مزایای بسیاری از TMD ها با جنبه های منفی خاص، عمدتاً در پیچیدگی های مهندسی تولید انبوه، مقابله می شود. فرآیند انتقال یک لایه فوق نازک از TMD به یک ماده پشتیبانی کننده انعطاف پذیر اغلب به لایه TMD آسیب می رساند.
آلوین داوس، با نصیری نظیف فرآیند انتقالی را ابداع کرد که آرایه‌های خورشیدی نازک TMD را به بستر انعطاف‌پذیر می‌چسباند. او میگوید: این چالش فنی قابل توجه است. داوس که یک محقق فوق دکتری در گروه تحقیقاتی اریک پاپ بود، توضیح داد که یک مرحله شامل انتقال لایه گرافن نازک اتمی بر روی یک بستر منعطف با ضخامت چند میکرون است.
این فرآیند پیچیده باعث می شود که TMD به طور کامل در بستر انعطاف پذیر جاسازی شود که منجر به دوام بیشتر می شود. محققان انعطاف‌پذیری و استحکام دستگاه‌های خود را با خم کردن آنها در اطراف یک استوانه فلزی با ضخامت کمتر از یک سوم اینچ آزمایش کردند.
نصیری نظیف در پایان اعلام میدارد: TMD های قدرتمند، منعطف و بادوام یک مسیر نویدبخش در فناوری خورشیدی هستند.
های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید