پنلهای خورشیدی ساخت پژوهشگران چینی میتوانند زیر آب هم برق تولید کنند
پژوهشگران با اصلاح ساختار سلولهای پروسکایتی پنلی ساختند که با جذب نور در عمق آب برق تولید میکند و بیش از ۵ سال در دریا دوام میآورد. پژوهشگران موفق به ساخت نوعی سلول خورشیدی پروسکایتی شدهاند که میتواند زیر آب هم انرژی الکتریکی تولید کند. این فناوری میتواند راه را برای ساخت تجهیزات دریایی خودکفا، حسگرهای زیرآبی و وسایل بدون سرنشین دریایی که بدون نیاز به شارژ مداوم کار میکنند، هموار کند.
به گزارش سایت دیدبان ایران، پژوهشگران با اصلاح ساختار سلولهای پروسکایتی پنلی ساختند که با جذب نور در عمق آب برق تولید میکند و بیش از ۵ سال در دریا دوام میآورد.
پژوهشگران موفق به ساخت نوعی سلول خورشیدی پروسکایتی شدهاند که میتواند زیر آب هم انرژی الکتریکی تولید کند. این فناوری میتواند راه را برای ساخت تجهیزات دریایی خودکفا، حسگرهای زیرآبی و وسایل بدون سرنشین دریایی که بدون نیاز به شارژ مداوم کار میکنند، هموار کند.
سلولهای خورشیدی معمولاً برای کار در محیطهای خشک طراحی میشوند و آب یکی از دشمنان اصلی آنها محسوب میشود. بهخصوص سلولهای خورشیدی پروسکایتی که در سالهای اخیر به دلیل بازده بالا، هزینه تولید کمتر و امکان ساخت در قالبهای انعطافپذیر مورد توجه قرار گرفتهاند، در برابر رطوبت مقاومت کمی دارند و سریعتر از نمونههای سیلیکونی تخریب میشوند.
بااینحال، تیمی از پژوهشگران به سرپرستی «سیمین ما» از دانشگاه یوننان توانستهاند با ایجاد تغییراتی در ساختار این مواد، سلولی بسازند که نهتنها در برابر آب مقاوم است، بلکه میتواند در شرایط زیر آب نیز عملکرد قابلتوجهی داشته باشد.
یکی از ویژگیهای مهم پروسکایتها، امکان تنظیم آنها برای جذب طول موجهای مختلف نور است. این ویژگی برای استفاده زیر آب اهمیت زیادی دارد؛ زیرا آب بسیاری از طول موجهایی را که سلولهای سیلیکونی جذب میکنند، خیلی سریع کاهش میدهد. در نتیجه، پنلهای سیلیکونی با افزایش عمق آب کارایی خود را از دست میدهند، اما سلول پروسکایتی طراحیشده برای شرایط زیر آب میتواند همچنان از نور آبی باقیمانده در آب برای تولید برق استفاده کند.
از طرف دیگر، محیط زیر آب معمولاً دمای پایینتر و نوسان دمایی کمتری نسبت به سطح زمین دارد. همچنین شدت کمتر نور در اعماق آب باعث میشود سلول خورشیدی کمتر در معرض تابش شدید و فرایندهای تخریب ناشی از انرژی زیاد قرار بگیرد. این شرایط میتواند فشار واردشده بر ساختار پروسکایت را کاهش دهد و به افزایش پایداری و طول عمر سلول کمک کند
نوشته ارزتکنیکا، ساخت سلولی که بتواند نور مناسب زیر آب را جذب کند، بخش دشوار این پروژه نبود. چالش اصلی این بود که پروسکایت بتواند برای مدت طولانی در تماس با آب دوام بیاورد.
پژوهشگران برای افزایش دوام سلول، از یک ماده افزودنی به نام پلیهگزامتیلن گوانیدین هیدروکلراید استفاده کردند که با چند سازوکار مختلف به پایداری ساختار پروسکایت کمک میکند.
سلول خورشیدی پروسکایتی، پس از ۴۰ روز غوطهوری در آب دریا، ۹۹٫۶ درصد بازده اولیه خود را حفظ کرد
ترکیب یادشده ابتدا لایهی آبگریزی در اطراف مادهی پروسکایتی ایجاد میکند و مانع نفوذ رطوبت به ساختار حساس سلول میشود. رطوبت یکی از عوامل اصلی تخریب پروسکایتها است و میتواند باعث کاهش سریع عملکرد آنها شود.
علاوهبراین، بخشی از این ماده وارد شبکهی بلوری پروسکایت میشود و به تشکیل بلورهای بزرگتر و منظمتر کمک میکند. این تغییر باعث کاهش حرکت یونها درون ساختار بلوری میشود؛ فرایندی که معمولاً با ایجاد نقص در ماده و کاهش عمر سلولهای پروسکایتی ارتباط دارد.
در نتیجه، این افزودنی هم مقاومت سلول را در برابر آب افزایش میدهد و هم با بهبود ساختار داخلی ماده، به حفظ عملکرد و افزایش بازده تولید برق آن کمک میکند.
پژوهشگران برای شبیهسازی شرایط زیر آب، نوری را فیلتر کردند تا مشابه نور موجود در عمق حدود ۱۰ متری اقیانوس باشد. سلول جدید توانست حدود ۳۵ درصد از انرژی این نور را به برق تبدیل کند. این عدد برای سلولهای خورشیدی سیلیکونی معمولی حدود ۲۰ درصد است.
البته مقایسه مستقیم این دو فناوری ساده نیست، زیرا شرایط عملکرد آنها متفاوت است. سلولهای سیلیکونی برای استفاده روی سطح زمین و زیر نور مستقیم خورشید ساخته شدهاند، در حالی که نمونه پروسکایتی برای محیط کمنور زیر آب طراحی شده است.
پژوهشگران پس از ساخت پنل کامل با لایههای محافظ، آن را در شرایط واقعی آزمایش کردند. در آزمایش نخست، پنل به مدت حدود ۴۰ روز در آب دریا قرار گرفت. پس از این مدت، سلول هنوز ۹۹٫۶ درصد از بازده اولیه خود را حفظ کرده بود.
پنل جدید میتواند انرژی مورد نیاز تجهیزات دریایی مانند رباتهای زیرآبی، حسگرها و سامانههای پایش اقیانوس را تأمین کند
براساس نتایج آزمایشها، پژوهشگران تخمین میزنند این پنل خورشیدی میتواند حدود ۵٫۵ سال در آب دریا به فعالیت خود ادامه دهد؛ پس از این مدت، بازده آن به حدود ۸۰ درصد مقدار اولیه کاهش پیدا میکند. این میزان بازده معمولاً معیاری برای پایان عمر مفید سلول خورشیدی محسوب میشود.
هرچند این دوام هنوز به پای پنلهای خورشیدی سیلیکونی معمولی نمیرسد، برای فناوری پروسکایتی پیشرفت قابلتوجهی به شمار میآید. بسیاری از نمونههای پروسکایتی پیشین حتی در شرایط عادی محیطی نیز بهدلیل حساسیت بالا در برابر رطوبت و عوامل تخریبکننده، با افت سریع عملکرد مواجه میشدند.
پژوهشگران برای بررسی عملکرد واقعیتر، نمونهای از پنل را در دریای چین جنوبی آزمایش کردند. آنها پنل را به وسیله کوچکی متصل کردند که میتوانست در عمق و موقعیت مشخصی باقی بماند. این سامانه توانست باتریهای کوچک را در عمقهای ۲، ۶ و ۱۰ متری شارژ کند.
در عمق دو متری، میزان تولید برق به دلیل تغییرات نور ناشی از برخورد نور خورشید با موجهای سطح آب، نوسان بیشتری داشت. با افزایش عمق، پراکندگی نور باعث شد شدت نور کمتر اما پایدارتر شود. در عمق ۱۰ متری، پنل کمی کمتر از یکچهارم انرژی تولیدشده در عمق دو متری را تولید کرد.
پژوهشگران میگویند سلولهای خورشیدی آنها میتوانند راهی برای تأمین انرژی تجهیزات دریایی باشند؛ تجهیزاتی که باید برای مدت طولانی و بدون دسترسی آسان به منابع برق کار کنند. رباتهای زیرآبی بدون سرنشین، حسگرهای اقیانوسی، سامانههای پایش محیط زیست و تجهیزات اینترنت اشیای زیر آب از جمله کاربردهای احتمالی این فناوری هستند.
البته این فناوری هنوز محدودیتهایی دارد. با افزایش عمق آب، شدت نور کاهش پیدا میکند و در نهایت مقدار نور موجود برای تولید برق کافی نخواهد بود. بنابراین استفاده از این سلولها بیشتر به محیطهایی با عمق محدود یا مناطقی که نور کافی دریافت میکنند، محدود میشود.
درنهایت، پژوهش نشان میدهد مواد پروسکایتی که تاکنون بیشتر بهعنوان گزینهای برای جایگزینی سلولهای خورشیدی زمینی مطرح بودند، میتوانند در محیطهای دشواری مانند زیر آب نیز کاربرد پیدا کنند. بااینحال، افزایش دوام و پایداری طولانیمدت همچنان یکی از مهمترین چالشهای پیش روی این فناوری است.