پژوهشگران دانشگاه خرونینگن هلند در مطالعهای روی سلولهای خورشیدی پروسکایتی قلعپایه نشان دادهاند که این مواد میتوانند روند از دست رفتن انرژی حرارتی الکترونهای پرانرژی موسوم به الکترونهای داغ را بهطور چشمگیری کند کنند؛ کشفی که در صورت حل چالشهای باقیمانده میتواند به طراحی سلولهای خورشیدی با بازدهی بالاتر از حد نظری ۳۳ درصد کمک کند.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از اینترستینگ اینجیرینگ، هنگامی که نور خورشید به یک پنل خورشیدی برخورد میکند فوتونها الکترونهای موجود در ماده را برانگیخته و آنها را وارد فرایند تولید جریان الکتریکی میکنند. فوتونهای پرانرژیتر میتوانند الکترونهایی با انرژی بسیار بالا ایجاد کنند که به آنها الکترونهای داغ (Hot Electrons) گفته میشود.
از نظر نظری این الکترونهای پرانرژی میتوانند مقدار بیشتری برق تولید کنند، اما در سلولهای خورشیدی معمولی بخش زیادی از انرژی اضافی آنها پیش از آنکه بتواند برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد، از بین میرود.
الکترونهای داغ در مدت بسیار کوتاهی، در حد کسری از تریلیونیم ثانیه، انرژی اضافی خود را از دست میدهند و سرد میشوند. در این فرایند، انرژی مازاد آنها عمدتا به شکل گرما تلف میشود و پیش از آنکه الکترون بتواند از ماده سلول خورشیدی خارج شود، دیگر قابل استفاده برای تولید برق نیست.
یان آنتون کوستر استاد فیزیک نیمهرساناها و ادوات نوین در دانشگاه خرونینگن در اینباره گفت: «این بدان معناست که انرژی پیش از آنکه الکترون داغ از ماده سلول خورشیدی خارج شود، از دست میرود.
پژوهشگران دانشگاه خرونینگن برای بررسی این پدیده با همکاری «ماریا آنتونیتا لویی استاد فوتوفیزیک و اپتوالکترونیک، یک سامانه آزمایشی طراحی کردند و عملکرد مادهای موسوم به «پروسکایت قلعپایه» (Tin-based Perovskite) را مورد بررسی قرار دادند.
نتایج آزمایشها نشان داد که این ماده میتواند روند از دست رفتن گرمای الکترونهای داغ را حدود هزار برابر کندتر از آنچه انتظار میرود، کند کند. به این ترتیب انرژی اضافی که در مواد معمولی طی چند پیکوثانیه از بین میرود، در این ماده میتواند برای چند نانوثانیه باقی بماند.
این نتیجه حتی برای خود پژوهشگران نیز غیرمنتظره بود. کوستر میگوید: ما حتی خودمان نیز شروع کردیم به شک کردن در اندازهگیریها.
برای بررسی علت این رفتار، کوستر و «تیم فابر (Tim Faber)، دانشجوی دکتری از شبیهسازیهای دیجیتال استفاده کردند تا فرایندهای کوانتومی مؤثر بر رفتار الکترونها را بررسی کنند.
نتایج شبیهسازیها نشان داد که دو سازوکار فیزیکی همزمان در کند شدن فرایند خنک شدن الکترونهای داغ نقش دارند.
نخستین سازوکار، گلوگاه فونون داغ (Hot Phonon Bottleneck) است. در این حالت هنگامی که الکترونها انرژی حرارتی خود را آزاد میکنند، محیط اطراف آنها نیز بهسرعت گرم میشود. در نتیجه الکترونها میتوانند بخشی از انرژی حرارتیای را که خود از دست دادهاند، دوباره جذب کنند. این فرایند مانند یک تله حرارتی از خنک شدن سریع الکترونها جلوگیری میکند.
سازوکار دوم، اثر برشتاین-ماس (Burstein-Moss Effect) نام دارد. بر اساس این پدیده، حالتهای انرژی پایینتر که الکترونها میتوانند به آنها منتقل شوند، به دلیل حضور تعداد زیادی الکترون برانگیخته، از قبل اشغال شدهاند. در نتیجه، مسیر انتقال الکترونها به حالتهای کمانرژیتر محدود میشود و روند کاهش انرژی آنها با مانع مواجه میشود.
پژوهشگران میگویند ترکیب این دو سازوکار باعث میشود فرایند خنک شدن الکترونهای داغ به شکل قابل توجهی کند شود. شبیهسازیهای رایانهای نیز توانستند تأخیر در خنک شدن الکترونها را که در آزمایشها در مقیاس نانوثانیه مشاهده شده بود، بازتولید کنند.
این پژوهش با استفاده از شبیهسازیهای مونتکارلو گروهی و همچنین فوتولومینسانس تفکیکشده زمانی (Time-resolved Photoluminescence) انجام شده است. نتایج نشان میدهد که پرشدن نوارهای انرژی (Band Filling) در کنار اثر گلوگاه فونون داغ میتواند دلیل زمان بسیار طولانی خنک شدن حاملهای داغ در پروسکایتهای هالید فلزی قلعپایه باشد.
پروسکایتهای هالید فلزی قلعپایه مواد بلوری هستند که به دلیل ویژگیهای مناسب برای تبدیل انرژی خورشیدی بهعنوان گزینهای برای نسل آینده فناوریهای خورشیدی مورد توجه قرار گرفتهاند. یکی از ویژگیهای مهم این مواد ستفاده از قلع بهجای سرب در ساختار آنهاست که میتواند مزایایی از نظر سمیت مواد ایجاد کند.
این مواد دارای یک ساختار شبکهای سهبعدی هستند که در آن یونهای قلع با هالوژنها و اجزای آلی یا معدنی ترکیب میشوند. یکی از ویژگیهای قابل توجه این مواد، جرم موثر پایین الکترونهاست که باعث میشود بارهای الکتریکی بتوانند با سرعت بیشتری در ماده حرکت کنند و در عین حال انرژی حرارتی اضافی را برای مدت طولانیتری حفظ کنند.
ترکیب جذب گسترده نور، انتقال مؤثر بار الکتریکی و حفظ طولانیتر انرژی اضافی، پروسکایتهای قلعپایه را به گزینهای مورد توجه برای توسعه سلولهای خورشیدی با بازدهی بالاتر تبدیل کرده است.
با وجود این نتایج استفاده از این پدیده برای تولید تجاری پنلهای خورشیدی با بازدهی بالاتر همچنان به تحقیقات بیشتری نیاز دارد. پژوهشگران تاکید میکنند که پرسشهای دیگری درباره نحوه بهرهبرداری عملی از این انرژی باقی مانده است و این فناوری هنوز برای ورود به مرحله تجاری آماده نیست.
با این حال تیم پژوهشی معتقد است در صورت حل این چالشها، حفظ طولانیتر انرژی الکترونهای داغ میتواند امکان استخراج بخش بیشتری از انرژی جذبشده از نور خورشید را فراهم کند.
پژوهشگران اعلام کردهاند که این کشف از نظر نظری میتواند مسیر توسعه سلولهای خورشیدی با بازدهی بالاتر از حد نظری حدود ۳۳ درصد را هموار کند؛ محدودیتی که در سلولهای خورشیدی متعارف به دلیل از دست رفتن بخشی از انرژی فوتونهای پرانرژی بهعنوان گرما مطرح است.
انتهای پیام/