ساخت یک وسیله جدید برای تولید برق با استفاده از نور لامپ

یک گروه بین المللی از محققان موفق به ساخت وسیله جدیدی شبیه به نوعی سلول خورشیدی شده اند که می توان از آن در فضای بسته نیز استفاده کرد. این وسیله قادر است با استفاده از نور یک لامپ هم برق تولید کند.

ما برای ایجاد یک میدان مغناطیسی گسترده برای انتقال داده ها به تلفن های همراه و دستگاه های وای فای، انرژی کمی مصرف می کنیم. تاکنون چند گروه تحقیقاتی راه حل هایی برای شارژ بی سیم وسایل از این طریق مطرح کرده اند؛ اما گروهی از محققان (متشکل از محققان چینی، سوئدی و سوئیسی) طرح استفاده از نور موجود در فضاهای بسته برای تولید برق را مطرح کرده اند.

این محققان در این روش تحقیقاتی خود شکل جدیدی از سلول های خورشیدی نور حساس را ایجاد کرده اند که محققان دیگر تاکنون نتوانسته اند وعده های داده شده در مورد این سلول ها را عملی کنند. محققان معتقدند که عملکرد این سلول های خورشید نور حساس در نور کم اتاق نسبت به انواع دیگری از سلول های خورشیدی که برای جمع آوری انرژی خورشیدی در خارج از جو زمین مورد استفاده قرار می گیرند، بهتر است.

حساسیت بسیار زیاد

در بیشتر سلول های خورشیدی الکترون های ایجاد شده در عنصر نیمه رسانا توسط یک سری سیم به عقب رانده می شوند. سپس جریان مفیدی که توسط مجموعه دوم از سیم ها ایجاد شده است، الکترون ها را به جای اول خود و به طرف دیگر دستگاه باز می گرداند. البته کارایی این فرایند هم توسط مواد فوتو ولتائیک یا مواد قدرت زای نوری (موادی که در واکنش به نور مرئی، جریان برق تولید می کنند) و هم به دلیل توانایی کم سیستم در عقب راندن الکترون ها قبل از این که به جای اصلی خود بازگردند، محدود می شود.

اصطلاح نور حساس اصطلاح درستی برای دستگاه جدید ایجاد شده توسط محققان نیست. در واقع منظور از کلمه نور در این اصطلاح همان مواد فوتو ولتاییک است. مواد فوتو ولتاییک موادی هستند که نور را جذب می کنند و پس از آن الکترون تولید می کنند. تنها کاری که عنصر نیمه رسانا انجام می دهند، جذب الکترون ها و عبور دادن آن ها در امتداد یک مسیر به عنوان جریان برق است. الکترون ها در سیستم از طریق یک الکترولیت به مکان اصلی خود باز می گردند که الکترون ها را از سیم های خارجی به مولکول های مواد فوتو ولتائیک انتقال می دهد؛ این کار باعث می شود این چرخه بارها و بارها تکرار شود.

این سیستم چندین مزیت دارد؛ اول اینکه عنصر نیمه رسانا و مواد فوتو ولتائیک می توانند با ایجاد تغییراتی در محلول ها که نسبت به پانل های سیلیکونی ارزان قیمت تر و انعطاف پذیرتر هستند، در جایگاه خود قرار گیرند و دوم اینکه با ترکیب این مواد با مجموعه ای از مواد فوتو ولتاییک که به درستی جمع آوری شده اند، امکان تنظیم میزان نور دریافتی توسط هر سلول خورشیدی با طول موج های متفاوت یا گسترش طول موج هایی از نور که آن ها به صورت موثر جذب می کنند، وجود دارد.

به نظر می رسد تمام این کارها شدنی هستند، اما هنوز نتایج قابل قبولی در این مورد به دست نیامده است. بخشی از این موضوع به خاطر این است که مواد فوتو ولتائیک معمولا از مولکول های کربن محور بزرگ تشکیل شده اند و توانایی آن ها در انتقال الکترون ها به اندازه بسیاری از عناصر نیمه رسانا نیست. از سوی دیگر با وجود اینکه این مواد می توانند با هزینه کمی ایجاد شوند؛ اما با توجه به افت قیمت قابل توجه پانل های سیلیکونی، تفاوت زیادی بین هزینه استفاده از این دو ماده وجود ندارد.

پیشرفت های ادامه دار

افراد فعال در این زمینه هنوز تسلیم نشده اند و در حال دستیابی به پیشرفت های کوچک و بزرگی هستند.

برای شروع کار، الکترولیت مورد نیاز از فلز مس ساخته شد. این کار نیاز به استفاده از مواد کمیاب و گران قیمت را برطرف کرد. الکترولیت ساخته شده از مس، درون قفسه ای متشکل از حلقه های کربن و نیتروژن قرار می گیرند و آن ها را بزرگ تر می کند. ترکیب این حلقه با یکی از پانل های فوتو ولتائیک که آن هم قطعه حجیمی است، ترکیب بسیار خوبی است. ترکیب این دو باعث می شود الکترولیت مسی از عنصر نیمه رسانایی که جریان را جمع آوی می کند، دور شود و این کار باعث بسته شدن مدار و عبور جریان به صورت موثر می شود.

هر دو پانل فوتو ولتائیک حجیم و بزرگ هستند و از یک سری حلقه تشکیل شده اند. این حلقه ها مسیری برای انتقال الکترون ها از نوک مولکول ها (جایی که مواد شیمیایی جذب کننده نور وجود دارند) تا پایین آن ها ایجاد می کنند. مولکول ها در قسمت انتهایی خود به نیمه رسانا متصل می شوند. این فاصله احتمال اینکه الکترون ها از نیمه رسانا از طریق مولکول فوتو ولتائیک به جای اصلی خود بازگردند را کاهش  می دهد و همین موضوع باعث تقویت کارایی سیستم می شود.

این سیستم طوری مهندسی شده است که قسمت انتهایی مولکول ها با دی اکسید تیتانیوم در ارتباط باشد. اینجا است که نیمه رساناها مورد استفاده قرار می گیرند و جریان برق در فوتو ولتائیک با انرژی باند انتقال دی اکسید تیتانیوم مطابقت پیدا می کند.

دو ماده فوتو ولتاییک می توانند با نسبت های مختلفی با یکدیگر ترکیب شوند و کارشناسان ترکیب های متنوعی از این ماده ها را مورد آزمایش قرار داده اند تا کارآمد ترین ماده را تشخیص دهند. آن ها در نهایت پی به وجود ترکیبی بردند که قادر است تمام طول موج ها را جذب کند؛ از ۳۵۰ نانومتر گرفته تا ۶۵۰ نانومتر. به دلیل اینکه طیف نور مرئی بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر است، ترکیب مورد نظر بیشتر طول موج آن را دریافت می کند.

عملکرد

عملکرد این وسیله در فضای باز و زمانی که در معرض نور خورشید قرار می گیرد، چندان قابل توجه نیست و با توجه به اینکه عملکرد سلول های سیلیکونی بیش از ۲۰ درصد است، بعید است که این وسیله جدید جایگزین سلول های سیلیکونی شوند.

اما در فضای داخلی، عملکرد کوانتومی این دستگاه کمی بهتر است؛ طوری که عملکرد این دستگاه به گونه ای است که تقریبا الکترون های تمام فوتون های دریافتی را استخراج می کند. یکی از محققان اذعان کرده است که کارایی کوانتومی این دستگاه ۹۰ درصد است و در عمل به ۱۰۰ درصد هم می رسد. البته مقداری اتلاف انرژی در اتصالات سیم های خارجی نیز وجود دارد.

بنابراین محققان این دستگاه را در شرایطی با میزان محدودی از فوتون ها مورد آزمایش قرار دادند. آن ها این دستگاه را در فضای بسته و با نور مصنوعی مورد آزمایش قرار دادند. حتی اگر نور فضای داخلی بسیار هم شدید باشد، میزان نور تنها به اندازه یک درصد نور خورشید در یک روز آفتابی است. اکثر منابع نوری بر خلاف نور خورشید، فوتون ها را در یک طیف مرئی از نور تولید می کنند که به خوبی با میزان حساسیت مواد فوتو ولتائیک مطابقت دارد.

کارایی این وسیله در فضای بسته به میان قابل توجهی افزایش پیدا می کند و تقریبا به ۲۴ درصد می رسد که تقریبا در سطح یک سلول خورشیدی است؛ بنابراین محققان عملکرد این دستگاه را در برابر عملکرد گالیم آرسنید مورد آزمایش قرار دادند که ماده گران قیمتی است و برای جمع آوری انرژی خورشیدی در خارج از جو زمین مورد استفاده قرار می گیرد. برنده این آزمایش سلول خورشیدی حساس به نور بود و میزان کارایی گالیم آرسنید در نور کم، به ۲۰ درصد کاهش یافت.

محققان تخمین زده اند که با استفاده از یک سلول خورشیدی که ابعاد آن تنها چندین سانتی متر است، می توان نیروی یک حسگر را تنها با استفاده از نور محیط تأمین کرد. پانلی به اندازه یک تلفن همراه در یک اتاق با نور زیاد می تواند در حدود ۳۰ میلی وات برق تولید کند؛ اگر چه این میزان برق، میزان کمی است؛ اما قطعا برای تأمین نیروی برخی از وسایل اطراف ما کافی است.