نیمه‌هادی‌های آلی صنعت انرژی خورشیدی را متحول می‌کنند. این مواد بر پایۀ کربن، که ارزان‌تر و انعطاف‌پذیرتر از سیلیکون سنتی هستند، می‌توانند روی سطوح مختلف به کار روند.
به‌گزارش تک‌ناک، به تازگی تحقیقات عملکرد استثنایی یک کلاس جدید از نیمه هادی‌های آلی به نام پذیرنده‌های نان-فولرن (NFA) را توضیح می‌دهند، که با کارایی حدود ۲۰ درصد به دلیل مکانیزم منحصر به فرد جدایی بار، مشخص شده است.
انرژی خورشیدی نقشی حیاتی در زمینۀ انرژی پاک آینده دارد. اغلب سیلیکون که مادۀ نیمه هادی معمولی است و در صنایع الکترونیک روزمره یافت می‌شود، برای برداشت انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با وجود این، پنل‌های خورشیدی سیلیکونی با محدودیت‌هایی همراه هستند و نصب آنها روی سطوح منحنی، پُر هزینه و چالش‌برانگیز است.
در همین راستا برای رفع این چالش‌ها، محققان مواد جایگزینی را برای برداشت انرژی خورشیدی ایجاد کردند. در میان امیدوارکننده‌ترین آنها، نیمه هادی‌های ارگانیک که مواد نیمه هادی مبتنی بر کربن هستند و در زمین به فراوانی یافت می‌شوند و ارزان‌تر و دوست‌دار محیط‌زیست می‌باشند، توجه محققان را به خود جلب کردند.
وای لون چان، یکی از محققان این مطالعه گفت: «مواد نیمه‌هادی به طور بالقوه می‌توانند هزینۀ تولید پنل‌های خورشیدی را کاهش دهند، چرا که این مواد را می‌توان با استفاده از روش‌های مبتنی بر محلول روی سطوح دلخواه پوشاند، که درست همانند شیوۀ رنگ‌آمیزی دیوار می‌باشد.»
وی تصریح کرد: «این مواد آلی را می‌توان برای جذب نور در طول موج‌های انتخابی تنظیم کرد و از آن برای ایجاد پنل‌های خورشیدی شفاف یا پنل‌های با رنگ‌های مختلف بهره برد. این ویژگی‌ها، پنل‌های خورشیدی ارگانیک را به ویژه برای استفاده در ساختمان‌های سبز و پایدار نسل بعدی مناسب می‌کند.»
در حالی که نیمه هادی‌های آلی قبلاً در صفحه نمایش لوازم الکترونیکی مصرفی مانند: تلفن‌های همراه، تلویزیون‌ها و هدست‌های واقعیت مجازی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، امّا هنوز به طور گسترده در پنل‌های خورشیدی تجاری استفاده نشده‌اند. یکی از کاستی‌های سلول‌های خورشیدی آلی، راندمان کم تبدیل نور به الکتریسیته است.
چان در این زمینه بیان کرد: «الکترون‌ها در نیمه هادی‌های آلی به طور معمول به همتایان مثبت خود که به عنوان حفره شناخته می‌شوند، اتصال می‌یابند. به این ترتیب، نور جذب شده توسط نیمه هادی‌های آلی، اغلب شبه ذرات خنثای الکتریکی به نام اکسیتون تولید می‌کند.»
پیشرفت با پذیرنده‌های نان-فولرن
یک کلاس جدید از نیمه هادی‌های آلی به نام پذیرنده‌های نان-فولرن (NFA) این الگو را تغییر داد. سلول‌های خورشیدی آلی ساخته شده با نان-فولرن می‌توانند بازدهی حدود 20 درصد را داشته باشند.
علی‌رغم عملکرد فوق‌العاده برای جامعۀ علمی نامشخص است که چرا این دستۀ جدید از نان-فولرن‌ها به طور قابل‌توجهی بهتر از سایر نیمه هادی‌های آلی عمل می‌کنند.
در یک مطالعۀ موفقیت‌آمیز که در مجلۀ Advanced Materials منتشر شد، چان و تیمش یک مکانیسم میکروسکوپی کشف کردند که تا حدودی عملکرد فوق‌العادۀ به دست آمده توسط نان-فولرن را توضیح می‌دهد.
کلید این کشف، اندازه‌گیری‌هایی بود که توسط نویسندۀ اصلی این مطالعه یعنی کوشال رجال با استفاده از یک روش تجربی به نام «طیف‌سنجی انتشار فوتونی دو فوتون با زمان تفکیک‌شده» یا TR-TPPE انجام شد. این روش به محققان اجازه داد تا انرژی الکترون‌های برانگیخته را با وضوح زمانی زیر پیکوثانیه (کمتر از یک تریلیونم یک ثانیه) ردیابی کنند.
چان توضیح داد: «در این اندازه‌گیری‌ها، رجال مشاهده کرد که برخی از الکترون‌های برانگیختۀ نوری در نان-فولرن‌ها می‌توانند به جای از دست دادن انرژی در محیط، از محیط انرژی بگیرند. این مشاهدات غیرمعمول است، چرا که الکترون‌های برانگیخته اغلب انرژی خود را در محیط از دست می‌دهند مانند یک فنجان قهوۀ داغ که گرمای خود را به محیط اطراف می‌دهد.»
این تیم تحقیقاتی معتقد هستند که این فرآیند غیرعادی در مقیاس میکروسکوپی به لطف رفتار کوانتومی الکترون‌ها رخ می‌دهد، که به الکترون برانگیخته کمک می‌کند تا به طور همزمان روی چندین مولکول ظاهر شود. این پدیدۀ عجیب و غریب کوانتومی با قانون دوم ترمودینامیک مطابقت دارد، که بر این باور است هر فرآیند فیزیکی باعث افزایش آنتروپی کل (معمولاً به نام بی‌نظمی) خواهد شد تا فرآیند افزایش انرژی را تولید کند.
رجال نیز در این باره گفت: «در بیشتر موارد، یک جسم داغ گرما را به محیط سرد خود منتقل می‌کند، چرا که انتقال گرما باعث افزایش آنتروپی کل می‌شود. امّا ما متوجه شدیم که برای مولکول‌های آلی که در یک ساختار نانومقیاس خاص چیده شده‌اند، جهت معمولی جریان گرما برای افزایش آنتروپی کل معکوس می‌شود. این جریان حرارتی معکوس به اکسایتون‌های خنثی اجازه می‌دهد تا گرما را از محیط دریافت کنند و به یک جفت بار مثبت و منفی تجزیه می‌شوند. این پدیده‌ها می‌توانند جریان الکتریکی تولید کنند.»
پیامدها برای راه‌حل‌های انرژی آینده
این تیم بر اساس یافته‌های تجربی خود، می‌گوید که این مکانیسم جداسازی بار مبتنی بر آنتروپی به سلول‌های خورشیدی آلی ساخته شده با نان-فولرن‌ها اجازه می‌دهد تا کارایی بسیار بهتری داشته باشند.
رجال عنوان کرد: «درک مکانیسم جداسازی بار به محققان اجازه می‌دهد تا نانوساختارهای جدیدی طراحی کنند، که از مزیت آنتروپی برای هدایت گرما یا انرژی در مقیاس نانو استفاده نمایند. با وجود اینکه آنتروپی یک مفهوم شناخته شده در فیزیک و شیمی است، به ندرت به طور فعال برای بهبود عملکرد دستگاه‌های تبدیل انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد.»
محققان این مطالعه معتقد هستند که مکانیسم کشف شده در این تحقیق می‌تواند برای تولید سلول‌های خورشیدی کارآمدتر مورد استفاده قرار گیرد، همچنین آنها اعتقاد دارند که می‌تواند به محققان کمک کند تا فوتوکاتالیست‌های کارآمدتری برای تولید سوخت خورشیدی طراحی کنند.
