ترفند نور به پنل‌های خورشیدی فوق نازک کمک می‌کند انرژی را ۱۰,۰۰۰ برابر بهتر جذب کنند
پژوهشگران روشی جدید برای تعامل نور و ماده ابداع کرده‌اند که راه را برای تولید سلول‌های خورشیدی فوق‌نازک سیلیکونی هموار می‌کند.
مطالعه تیم دانشگاه کالیفرنیا، ایروین (UC Irvine) بر اساس تحقیقات قبلی در مورد تغییر سیلیکون خالص از نیمه‌رسانای غیرمستقیم به مستقیم با تغییر تعامل آن با نور استوار است.
آن‌ها تعاملات نور با سیلیکون را با به دام انداختن فوتون‌ها، افزایش جذب ۱۰,۰۰۰ برابری و بهبود عملکرد دستگاه بدون تغییر شیمی ماده تغییر دادند.
تیم تأکید می‌کند که این کشف می‌تواند به گسترش فناوری‌های تبدیل انرژی به استفاده‌های گسترده‌ای مانند شارژ خودرو و دستگاه‌ها و پوشاک ترموالکتریک کمک کند.
دستکاری نوآورانه نور
در مطالعه جدید، پژوهشگران از روشی استفاده کردند که شامل تغییر نور به جای ماده بود.
آن‌ها فوتون‌ها را روی برجستگی‌های بسیار کوچک نزدیک به سیلیکون به دام انداختند، به نور خواص جدیدی دادند که تعامل آن با ماده را افزایش داد. با تغییر سطح سیلیکون، آن‌ها توانستند میزان زیادی از نور را جذب کرده و به‌طور قابل‌توجهی عملکرد دستگاه‌ها را تقویت کنند.
فوتون‌ها به اندازه‌ای حرکت ندارند که انتقالات نوری غیرمستقیم را در نیمه‌رساناهایی مانند سیلیکون برانگیزند، که به معنای نیاز به فونون‌های شبکه برای حفظ حرکت است. این ویژگی سیلیکون را نسبت به نیمه‌رساناهای مستقیم برای بسیاری از کاربردهای اپتو الکترونیکی کمتر مطلوب می‌کند.
به عنوان یک نیمه‌رسانای غیرمستقیم، خصوصیات نوری محدود سیلیکون مانع از پیشرفت‌ها در تبدیل انرژی خورشیدی و اپتو الکترونیک می‌شود. این یک نقطه ضعف قابل توجه است زیرا سیلیکون دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است و به عنوان پایه‌ای برای صنایع رایانه و الکترونیک جهانی عمل می‌کند.
«فوتون‌ها انرژی حمل می‌کنند اما تقریباً هیچ حرکتی ندارند، اما اگر این روایتی که در کتاب‌های درسی توضیح داده شده است را تغییر دهیم و به نوعی به فوتون‌ها حرکت بدهیم، می‌توانیم الکترون‌ها را بدون نیاز به ذرات اضافی برانگیزیم»، اریک پوتما، استاد شیمی در UC Irvine و نویسنده همکار این مطالعه، در یک بیانیه گفت.
این روش تعامل را به دو ذره محدود می‌کند: فوتون و یک الکترون، شبیه به آنچه در نیمه‌رساناهای مستقیم رخ می‌دهد. این روش جذب نور را به میزان ۱۰,۰۰۰ برابر افزایش می‌دهد و بنیادی‌ترین تعامل نور و ماده را بدون تغییر شیمی ماده عوض می‌کند.
تبدیل انرژی در حال دگرگونی
پدیده جدید به طور بنیادی تعامل بین نور و ماده را تغییر می‌دهد. به گفته پژوهشگران، کتاب‌های درسی به طور سنتی انتقالات نوری عمودی را توصیف می‌کنند، جایی که ماده نور را جذب می‌کند و فوتون تنها زمینه انرژی الکترون را تغییر می‌دهد.
با این حال، فوتون‌های دارای حرکت می‌توانند هم زنجیره‌های انرژی و هم حرکتی الکترون‌ها را تغییر دهند، مسیرهای انتقال جدیدی را که قبلاً در نظر گرفته نشده بود، نشان‌دهنده می‌کنند.
«به عبارت بازیگویی، ما می‌توانیم کتاب درسی را 'کج کنیم'، زیرا این فوتون‌ها انتقالات مورب را میسر می‌کنند. این به شدت بر قابلیت یک ماده برای جذب یا تابش نور تأثیر می‌گذارد»، آرا آپکریان، استاد برجسته شیمی در UC Irvine و نویسنده همکار این مطالعه گفت.
پژوهشگران تأکید می‌کنند که این پیشرفت فرصتی را ارائه می‌دهد تا از پیشرفت‌های اخیر در تکنیک‌های ساخت نیمه‌رسانا در اندازه زیر ۱.۵ نانومتر بهره‌برداری کنند، که می‌تواند به طور قابل‌توجهی بر فناوری‌های حسگر نوری و تبدیل انرژی نوری تأثیر بگذارد.
با افزایش اثرات تغییرات آب و هوایی، گذار از سوخت‌های فسیلی به انرژی‌های تجدیدپذیر ضروری‌تر شده است. انرژی خورشیدی نقش مهمی در این تغییر دارد، اما سلول‌های خورشیدی تجاری فعلی کافی نیستند.
قابلیت محدود سیلیکون در جذب نور نیاز به لایه‌های ضخیم—تقریباً ۲۰۰ میکرومتر از ماده کریستالی خالص—برای به‌طور موثری ثبت نور خورشید دارد. این نه تنها هزینه تولید را افزایش می‌دهد بلکه کارایی را به دلیل کاهش بار حامل کاهش می‌دهد.
به گفته پژوهشگران، سلول‌های خورشیدی با لایه نازک که با این تحقیق امکان‌پذیرتر شده‌اند، به عنوان راه‌حلی برای این مسائل به شمار می‌روند.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله ACS Nano منتشر شده است.
