پروسکایت ماده معدنی که می تواند آینده انرژی خورشیدی را دگرگون کند

روزی ممکن است پنل‌های خورشیدی به قدری سبک و ارزان باشند که بتوانند به واسطه یک ماده معدنی مصنوعی به نام پروسکایت، روی بند رخت آویزان شوند.

Image for post
Image for post


انرژی خورشیدی کلید آینده انرژی ماست. اما صنعت خورشیدی در برابر یک مشکل سخت مقاومت می‌کند: سلول‌های سیلیکون در تبدیل نور خورشید به برق بسیار کارآمد نیستند. در بهترین حالت، حدود 29 درصد کارآمد هستند. 

ممکن است تعجب کنید، چرا وقتی نور خورشید آزاد و رایگان است، کارآیی نیز مهم است؟ 

پاسخ: زیرا بازده پایین به این معنی است که شما باید تعداد زیادی صفحه خورشیدی  که می تواند بزرگ، سنگین و گران قیمت باشد نصب کنید تا انرژی کافی برای پاسخ به نیاز را تولید کنید.

به گفته سام استرانکس، فیزیکدان دانشگاه کمبریج این امر می تواند به لطف ماده معدنی به نام پروسکایت تغییر کند. او و همکارانش در Swift Solar در تلاشند تا صفحات خورشیدی مبتنی بر پروسکیت را تولید کنند که می‌تواند حد بالای بهره وری انرژی را بشکند.

پروسکایت در جهان چیست؟ 

اصطلاح "پروسکایت" به دو ماده اشاره دارد: یک ماده معدنی اکسید تیتانیوم کلسیم متشکل از تیتانات کلسیم و همچنین دسته ای از ترکیبات که ساختار کریستالی منحصر به فرد این ماده معدنی را دارند. پروسکیت‌هایی که دارای چنین ویژگی‌های امیدوار کننده فتوولتائیک (PV) یا انرژی خورشیدی هستند. گروهی از نسخه‌های ساخته شده توسط بشر هستند که در سال 2009 توسط دانشمند ژاپنی تسوتومو میاساکا و همکارانش کشف شد. (در مورد میاساکا در سال 2018 به عنوان یک دریافت کننده احتمالی جایزه نوبل صحبت شد.) استرانکس می گوید:

 " پروسکایت‌ها می‌توانند نور خورشید را بهتر از سیلیکون جذب کنند." "ما می توانیم تقریباً تمام نور خورشید را با یک فیلم پروسکایت جذب کنیم که حداقل صد برابر نازک تر از سیلیکون باشد."

Image for post
Image for post

دانشمندان با مخلوط کردن دو نمک ارزان قیمت، هالیدهای سرب و هالیدهای آلی، پروسکایت ها را سنتز می‌کنند. این محلول جوهر را تشکیل می دهد که می توان آن را در یک لایه فوق العاده ظریف و یکنواخت با استفاده از چاپ جوهر افشان یا پوشش چرخشی قرار داد. استرانکس می گوید:

 "فیلم رسوب یافته بسیار نازک است. ضخامت آن در حدود 500 نانومتر یا ضخامت حدود 100/1 موی انسان است و برای جذب بخش زیادی از نور خورشید برای تولید برق کافی است."

نتیجه: مقدار کمی پروسکایت می‌تواند انرژی زیادی تولید کند. به عنوان مثال ایالت کالیفرنیا به 50 گیگاوات نیرو نیاز دارد و برای ساختن صفحات خورشیدی کافی فقط به نیمی جوهر پروسکایت به ارزش استخر شنای المپیک نیاز دارید.

مزایای پروسکایت

 کارخانه تولید سلول پروسکایت بسیار ارزانتر از کارخانه سیلیکون است. در حالی که ساخت یک کارخانه سیلیکون تقریباً 300 تا 400 میلیون دلار هزینه دارد، هزینه یک کارخانه پروسکایت کمتر از 100 میلیون دلار است. تفاوت در هزینه تا حدی به این دلیل است که ساخت سیلیکون بسیار کریستالی نیاز به گرم کردن آن در دمای بسیار بالا برای از بین بردن نا خالصی است.از طرف دیگر ، فیلم های پروسکایت فقط به گرمایش ملایم نیاز دارند تا عیب نداشته باشند و می توان آنها را به سرعت در چاپگرهای بزرگ پخش کرد، که مقرون به صرفه تر است.

در حالی که پروسکایت احتمالاً بلافاصله جایگزین سلولهای سیلیسیم نمی‌شود، این دو ترکیب می توانند با هم کار کنند. این یک یا / و گزاره ای با سیلیکون نیست ، اما هر دو / و" است. سلول‌های پروسکایت را می توان روی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی موجود لایه بندی کرد. افزایش استراتژی سیلیکون با پروسکیت می‌تواند هر پانل PV را 20 درصد کارآمدتر از پانل های PV امروزی کند. افزایش کارایی تأثیراتی دارد که می تواند از طریق فرآیند انرژی خورشیدی موج بزند. "اگر در خانه‌ای قبلاً به پنج پنل احتیاج داشتی، اکنون فقط به چهار پنل نیاز دارید. این مسئله چیزهای زیادی را تغییر می دهد: پانل های یک مزرعه خورشیدی به طور ناگهانی 20 درصد ارزان تر می شوند، همچنین سایر صرفه جویی در هزینه و غیره به طبع اتفاق خواهد افتاد.

 وظیفه یک سلول خورشیدی جمع آوری طول موج های مختلف نور است که به عنوان رنگ‌های مختلف  در طیف مرئی و تبدیل آنها به انرژی درک می شوند. وقتی یک سلول پروسکایت را بالای یک سلول سیلیکونی لایه بندی می‌کنید، لایه پروسکایت نور آبی را که بالاترین انرژی نور مرئی است جمع می‌کند و آن را به برق تبدیل می کند. بقیه نور سپس به سلول سیلیکونی زیر منتقل می شود، که اشعه های قرمزتر و کم انرژی را جذب می کند و آنها را به قدرت تبدیل می‌کند. ایده این است که، با هر دو لایه ، تقریباً تمام طیف نور را برداشت می کنید، اما این کار را به ترتیب انجام می دهید تا میزان انرژی تولید شده را به حداکثر برسانید. 

چرا کلا نمی توان از سیلیکون خلاص شد؟

 این هدف دانشمندان است. سلولهای پشت سرهم پروسکایت مفهومی که اولین بار توسط بنیانگذاران او Giles Eperon و Tomas Leijtens نشان داده شد. فناوری در حال توسعه توسط تیم Swift Solar است. دو نوع مختلف سلول پروسکایت روی هم قرار گرفته اند، و درست همانطور که سلول های سیلیکونی پروسکایت پشت سر هم فرکانس‌های مختلف نور را برداشت می‌کنند سلولهای پشت سر هم پروسکایت-پروسکایت نیز همین کار را می‌کنند. اینها به طور بالقوه می‌توانند کارایی را تا 35 درصد یا بالاتر ببرند.

چرا سیلیکون هنوز مهم است؟

 دانشمندان نمی دانند یک سلول پروسکایت چه مدت دوام می آورد.سلولهای سیلیکون 25 سال دوام می آورند، در حالیکه سلولهای پروسکایت هنوز تحت عوامل فشارزای محیطی مانند رطوبت و گرما به اندازه کافی اثبات نشده اند.(به یاد داشته باشید، این مواد فقط در سال 2009 کشف شد.) و اگر شما یک آرایه خورشیدی گران قیمت را روی خانه خود نصب کنید ، می‌خواهید حداقل برای چند دهه دوام داشته باشد. دانشمندان خوشبین هستند که سلولهای پروسکایت را با بهینه سازی ترکیبات و طرح سلول بتوان با دوام ساخت. در همین حال، سلول‌های پشت سر هم پروسکایت می‌توانند در برنامه‌های حمل و نقل و ارتباطات که به دوام طولانی مدت نیاز ندارند، استفاده شوند.

پروسکایت‌ها می‌توانند در اشکال جدید برای مشتریان جدید نیرو برقرار کنند. سلولهای پروسکایت روزی در مناطق روستایی کشورهای در حال توسعه نیرو می گیرند. در حالی که پانل های سیلیکون از قبل نصب شده و در انواع تنظیمات استفاده می‌شوند، می توانند سنگین و حجیم باشند. ایده این است که این ورق های خورشیدی ارزان را پهن کنید، یک کامیون را با آنها پر کنید تا در جوامع دور از آن استفاده شود. ملحفه ها را می توان روی یک بند آویزان کرد، روی سقف یک پناهگاه نصب کرد و موارد دیگر. یک ورق معمولی که با باتری ذخیره می شود، می تواند انرژی شارژر تلفن همراه، لامپ ها یا یخچال کوچک را تأمین کند. طبق بهترین حدس، ممکن است یک دهه طول بکشد تا پروسکایت ها به زندگی مصرف کنندگان برسند.برای تحقق بخشیدن به پتانسیل كامل پرووسكیت ها نیاز به یك فشار جهانی است. اما با توجه به قیمت ارزان و انرژی پاک، آینده این صنعت درخشان است.