آیا نقاط کوانتومی کوچک ساخته شده در محلول میتوانند انرژی خورشیدی را برای انسان‌ها به طرزی مقرون به صرفه قابل استفاده کنند؟ محققان در مرکز Advanced Solar Photophysics واقع در Los Alamos در حال بررسی این امکان هستند.
گام اول: دوتا براي يکي!
نکته‌‌ی اول بیشترین بازده ممکن برای سیستم‌‌های تک‌‌لایه است. به طور معمول در یک نیمه رسانای ماکروسکوپی هر فوتون دارای انرژی شکاف یا بزرگتر از آن جذب می‌‌شود و درنتیجه‌‌ی آن یک الکترون آزاد می‌‌شود. اگر انرژی فوتون برابر با انرژی شکاف باشد، یک الکترون را از لایه‌‌ی ظرفیت به پایین‌‌ترین پله از لایه‌‌ی رسانش منتقل میکند. درنتیجه الکترون به یک حامل بار منفی با ولتاژی برابر با انرژی شکاف تبدیل می‌‌شود.
عجیب این است که با اینکه فوتونی با انرژی بزرگتر از انرژی شکاف، الکترون را به موقعیتی بالاتر در لایه‌‌ی رسانش منتقل میکند، تغییری در ولتاژ تولیدی و درنتیجه بازده تولید برق ایجاد نمی‌‌شود. در عوض این الکترون بلافاصله شروع به از دست دادن انرژی خود به صورت گرما از طریق برخورد با اتم‌‌های موجود در شبکه‌‌ی کریستال میکند. هر برخورد باعث ارتعاش شبکه (فونون) می‌‌شود. این برخوردها ادامه پیدا می‌‌کنند و الکترون انرژی خود را از دست می‌‌دهد و به موقعیت‌‌های پایین‌‌تر نزول می-کند تا جایی که به سطح انرژی برابر با انرژی شکاف برسد و در پایین‌‌ترین موقعیت از لایه‌‌ی رسانش قرار بگیرد. این فرآیند در بیشترین حالت حدود چند پیکوثانیه طول می‌‌کشد، بنابراین فارغ از میزان انرژی فوتون‌‌های دریافتی، ولتاژ تولیدی در سلولهای خورشیدی نیمه‌‌رسانا یکسان است و بازده یک سلول خورشیدی هیچ‌‌گاه % 100 نخواهد بود. بیشترین بازده این سلول‌‌ها % 31 است.
کلیموف توضیح می‌‌دهد: «نانوکریستال‌‌ها میتوانند این عدد را افزایش دهند. چرا که با محدود کردن الکترونها به نانوکریستال‌های کوچک، جذب هر فوتون پرانرژی منجر به آزاد شدن دو یا چند الکترون حامل بار منفی با ولتاژ انرژی شکاف خواهد شد. اگر بتوانیم این حامل‌‌های بار را به ترمینال‌‌ها برسانیم جریان الکتریکی قوی‌‌تری تولید خواهیم کرد و این چیزی است که به دنبال آن هستیم.»
پدیده‌‌ی ایجاد دو الکترون آزاد با یک فوتون پر انرژی (چند حاملی) اولین بار در سال 2004 در Los Alamos توسط Klimov و Richard Schaller روی نانوکریستال‌‌ها بررسی شد. انگیزه‌‌ی اصلی برای جستجو در مورد این پدیده در نانوکریستال‌‌ها به مفهوم تنگنای فونون (Phonon bottleneck) برمی‌‌گردد. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است مراتب انرژی در یک نانوکریستال متفاوت از یک نمونه‌‌ی ماکروسکوپی است. به این معنا که پله‌‌های مختلف انرژی در فاصله‌‌های زیادی از هم قرار گرفته‌‌اند و اختلاف انرژی بین این پله‌‌ها بسیار بزرگتر از انرژی لازم برای ایجاد یک فونون است. یک الکترون که به پله‌‌ای پر انرژی در نانوکریستال جهش کرده است (مرحله‌‌ی 1,B) باید در یک لحظه فونون‌‌های بسیاری ایجاد کند تا به پله‌‌ی پایین‌‌تر برود. اما این فرآیند بسیار آهسته‌‌تر از ایجاد یک فونون است (احتمال وقوع آن کمتر است) درنتیجه الکترون با انرژی اضافی خود در داخل نانوکریستال به عقب و جلو حرکت میکند و احتمال برخورد آن به یک الکترون ظرفیت بسیار بالاست (مرحله‌‌ی 2,B) که در نتیجه‌‌ی این اتفاق الکترون ظرفیت به لایه‌‌ی رسانش جهش میکند و الکترون اول نیز به پله‌‌ای پایین‌‌تر در لایه‌‌ی رسانش می‌‌رود (مرحله‌‌ی 3,B). در این حالت جذب یک فوتون با انرژی بالا سبب ایجاد دو الکترون به جای یک الکترون در لایه‌‌ی رسانش شده است.
|
ویکتور کلیموف، مدیر مرکز تحقیقات
پیشرفته‌‌ی خورشیدی
|
با این حال کلیموف اشاره میکند که کاهش انرژی از طریق فونون در نانوکریستال‌‌ها در مقایسه با جامدات بالک کمتر است. آزمایش‌‌ها نشان می‌‌دهد فرآیندهای دیگر کاهش انرژی میتوانند با روش چند حاملی رقابت کنند. درنتیجه تحقیقات بر روی این روش‌‌ها در حال انجام است. کلیموف تخمین می‌‌زند که اگر روش چند حاملی به خوبی کار کند الکتریسیته‌‌ی تولید شده‌‌ی اضافی باعث افزایش توان خروجی و درنتیجه افزایش بیشترین بازده تبدیل در سیستم‌‌های تک لایه تا 41 درصد می‌‌شود. وی می‌‌گوید: «در حال حاضر به نظر می-رسد که برای ایجاد دو برانگیزش نیاز به انرژی معادل دو و نیم تا سه شکاف انرژی داریم. ما قصد داریم به قدر کافی در مورد اصول فیزیکی جهت کاهش این آستانه به حد نظری یعنی دو انرژی شکاف برای دو برانگیزش اطلاعات کسب کنیم.»
رویکرد دیگر برای افزایش بازده 31 درصدی، افزایش ولتاژ با استفاده‌‌ی مستقیم از الکترون‌‌های داغ (پر انرژی) است قبل از آنکه الکترونها از طریق فونون انرژی خود را از دست بدهند و یا چند حامل بار تولید کنند. درواقع می‌‌توان از تنگنای فونون استفاده کرد و الکترونها را در حالت داغ نگه داشت تا بتوان در آن مدت الکترون‌‌های موجود در ترمینال منفی را جمع‌‌آوری و از طریق سیم منتقل نمود. این الکترون‌‌های داغ ولتاژی بزرگتر از انرژی شکاف تولید می‌‌کنند و درنتیجه توان خروجی افزایش می‌‌یابد. محققان مرکز Advanced Solar Photophysics امیدوارند بتوانند ماده‌‌ای در ابعاد نانو تولید کنند که تنگنای فونون از خود نشان دهد. همچنین آنها سعی در تولید روش‌‌هایی با بازده بالا برای استفاده از الکترون‌‌های داغ (پُر انرژی) دارند.
گام دوم: بيرون کشيدن!
فارغ از اینکه فوتون‌‌های خورشیدی چه الکترون‌‌هایی اعم از تک الکترون رسانا، چند الکترون رسانا و یا الکترون‌‌های داغ تولید کنند، مشکل اصلی در سیستم‌‌های نانوکریستالی حمل و نقل و یا هدایت حامل‌‌های بار به ترمینال‌‌هاست. هر الکترون به طور کامل آزاد نیست بلکه کمی به یک حفره متصل است و دچار برانگیختگی می‌‌شود. نکته‌‌ای که اهمیت دارد این است که این دو حامل بار باید از هم جدا و به سرعت منتقل شوند. درغیر این صورت برانگیختگی در کمتر از یک میکروثانیه از طریق ترکیب مجدد از بین می‌‌رود، الکترون مجدداً به داخل حفره برمی‌‌گردد و انرژی خورشیدی جذب شده را به صورت فوتون از خود منتشر میکند.
در سلولهای نسل اول جدایی بار و حمل آن به آسانی رخ می‌‌دهد. ویفر سیلیکونی با ناخالصی‌‌هایی ترکیب می‌‌شود که سبب ایجاد سریع حامل‌‌های بار (الکترون‌‌های رسانش و حفره‌‌ها) می‌‌شود و درنتیجه رسانش افزایش می‌‌یابد. همچنین این کار باعث ایجاد یک سطح تماس یا اتصال بین ناخالصی‌‌های الکترون‌‌دهنده در یک سمت (لایه‌‌ی n) و ناخالصی‌‌های حفره‌‌دهنده در سمت دیگر (لایه‌‌ی p) می‌‌شود. الکترونها از طریق این اتصال (اتصال n-p) حرکت می‌‌کنند و یک میدان الکتریکی دائمی تولید می-کنند که جفت‌‌های الکترون-حفره را به محض ایجاد شدن از هم جدا میکند. همچنین این میدان الکتریکی به جابه‌‌جایی الکترونها با بار منفی به ترمینال منفی و حفره‌‌ها با بار مثبت به ترمینال مثبت کمک میکند.
|
جف پیتریگا عضو تیم تحقیقاتی کلیموف
|
این روش جداسازی و جابه‌‌جایی بار در فیلم‌‌های نازک نانوکریستالی قابل اجرا نیست. نانوکریستال‌‌ها در حین رشد تمایلی به ترکیب با ناخالصی‌‌ها ندارند پس ساخت یک اتصال p-n در آنها دشوار خواهد بود. علاوه بر این، نانوکریستال‌‌ها توسط مولکول‌‌های آلی عایق احاطه شده‌‌اند (شکل زیر). درنتیجه حامل‌‌های بار بعد از تولید باید از این لایه عبور کنند و از نانوکریستالی به نانوکریستال دیگر بروند تا به ترمینال‌‌ها برسند. این روند کارآیی مناسبی ندارد زیرا ممکن است حامل‌‌های بار در لایه‌‌ی عایق حبس شوند و یا در مسیر رسیدن به ترمینال‌‌ها در اثر ترکیب مجدد با یک بار ناهم‌‌نام از بین بروند.
|
|
دُن وردر روي ميکروسکوپ‌هاي انتقال انرژي کار مي‌کند
تا از نانوکريستال‌ها عکس بگيرد. بازوهاي نانوکريستال‌ها
مي‌توانند در انتقال الکترونها در لايه‌هاي
نازک بسيار مؤثر باشند. اين بازوها را مي‌توان
به صورت شبکه‌اي پيوسته رشد داد.
|
ترکیب مجدد در سیستم‌‌هایی که در آنها چند حامل بار همزمان سبب ایجاد دو برانگیزش می‌‌شود مشکلی بسیار جدی است. این دو برانگیزش میتوانند با هم برهم‌‌کنش انجام دهند و انرژی‌‌شان را به اشتراک بگذارند. درنتیجه یک الکترون به موقعیت‌‌های با انرژی بالاتر می‌‌رود و الکترون دیگر مجدداً با حفره‌‌ی خود ترکیب می‌‌شود. این پدیده که به ترکیب مجدد Auger معروف است در ده‌‌ها پیکوثانیه اتفاق می‌‌افتد. برای بهره‌‌گیری از روش ایجاد چند حامل بار، حامل‌‌های بار باید در زمانی کمتر از زمان لازم برای رخ دادن پدیده‌‌ی Auger از نانوکریستال خارج شوند. پیدا کردن راه‌‌هایی برای انجام این کار نیز یکی از موضوعات تحت مطالعه در این مرکز است.
یکی از روش‌‌ها این است که برای الکترونها محلی دور از حفره‌‌ها در نظر گرفته شود تا در آنجا قرار بگیرند. Pietryga به همراه همکار خود Doh Lee این کار را با ایجاد شاخه‌‌هایی بر روی نانوکریستال‌‌ها انجام داده‌‌اند. این شاخه‌‌ها از جنس مواد نیمه رسانا هستند که میتوانند بعنوان گیرنده‌‌ی الکترون (شکل زیر) عمل کنند. هر بار که یک فوتون یک جفت الکترون-حفره تولید می-کند الکترون با رفتن به شاخه‌‌ها به سرعت از حفره جدا می‌‌شود. این جداسازی احتمال ترکیب مجدد الکترون با حفره را قبل از خارج شدن از ساختار نانو کاهش می‌‌دهد. پیتریگا توضیح می‌‌دهد: «اگر بتوانیم یک فیلم نازک نانوکریستالی با شاخه‌‌هایی که تشکیل یک شبکه‌‌ی پیوسته می‌‌دهند بسازیم به طوریکه نانوکریستال‌‌ها و شاخه‌‌ها داخل یک ماده که رسانای حفره‌‌هاست قرار بگیرند، حمل بار و جمع‌‌آوری آن به آسانی و با بازده بالا انجام خواهد شد.»
انتقال انرژي: فراتر از اميد به شارژ شدن
داشتن یک راه حل مناسب برای استفاده از جریان باعث می‌‌شود حامل‌‌های بار نیازی به حرکت بین نانوکریستال‌‌ها نداشته باشند. درعوض، برانگیختگی در یک نانوکریستال از بین می‌‌رود (الکترون و حفره مجدداً با هم ترکیب می‌‌شوند) و انرژی حاصل به جای آزاد شدن بصورت فوتون، یک میدان الکتریکی تولید میکند که مانند فوتون رفتار میکند و سبب برانگیختگی یک نانوکریستال در نزدیکی خود می‌‌شود. این انتقال انرژی بین نانوکریستال‌‌ها تا جایی ادامه پیدا میکند که برانگیختگی به یک اتصال p-n برسد و توسط میدان الکتریکی به یک الکترون و حفره‌‌ی مجزا تبدیل شود. برای فهم این فرآیند جابه‌‌جایی انرژی، تصور کنید که در یک فاصله، جفت الکترون-حفره‌‌ی برانگیخته شبیه یک بار مثبت و منفی جدا از هم که در فاصله‌‌ی بسیار کم از هم قرار دارند به نظر می‌‌رسد که فیزیکدان‌‌ها به آن دوقطبی الکتریکی می‌‌گویند. این دوقطبی یک میدان الکتریکی مشخصه تولید میکند که محدوده‌‌ی آن فراتر از ابعاد نانوکریستال است. این میدان دوقطبی یک نانوکریستال را در تماس با نانوکریستال دیگر قرار می‌‌دهد و به آنها اجازه می‌‌دهد تا بین خود تبادل انرژی انجام دهند.
به دلیل اینکه انرژی ساطع شده زمانی که یک برانگیزش از بین می‌‌رود کمتر از انرژی لازم برای ایجاد همان برانگیزش است، این فرآیند انتقال انرژی از سمت یک نانوکریستال کوچک با شکاف انرژی بزرگ به سمت یک نانوکریستال بزرگتر با شکاف انرژی کوچکتر است. در این حالت هر انتقال انرژی باعث به وجود آمدن یک برانگیزش با انرژی کمتر از برانگیزش های قبلی می‌‌شود. محققان در این مرکز مشغول بررسی این مکانیزم‌‌های مختلف انتقال بار و انرژی هستند و امیدوارند مکانیزمی پیدا کنند که در آن بازده برداشت انرژی الکتریکی از سلولهای خورشیدی از جنس فیلم نازک کریستالی به طور چشمگیری افزایش پیدا کند.
وقتي لاستيک جاده را لمس مي‌کند!
سختی اصلی کار زمانی آشکار می‌‌شود که بخواهیم از این فرآیندها در وسایل واقعی استفاده کنیم. تیم Los Alamos امکاناتی فراهم کرده است که به طور خاص برای ساخت و آزمایش وسایل دارای فیلم نازک نانوکریستالی طراحی شده‌‌اند. این امکانات در حال حاضر در اختیار افرادی از مرکز NREL نیز قرار گرفته است. کلیموف از این همکاری ابراز امیدواری میکند و عقیده دارد که با همکاری گروه‌‌های دیگر شانس موفقیت در این تحقیقات بالا خواهد رفت.
مرکز Los Alamos همچنین در حال ساخت موادی جدید برای کاربرد در سلولهای خورشیدی است. کلیموف تأکید میکند که این تحقیقات در نهایت منجر به ساخت دستگاه‌‌هایی قابل استفاده در زندگی واقعی مردم به جای صفحات خورشیدی زمخت و گران‌‌قیمت سیلیکونی خواهد شد.
قسمت اول
منبع:
Los Alamos Science and Technology Magazine-Necia Grant Cooper
منابع مفيد:
گرمايش زمين
انرژي خورشيدي
سلول‌هاي خورشيدي چگونه کار مي‌کنند؟
بازدهي سلول‌هاي خورشيدي
Solar Cell- WIKI
نقاط کوانتمي
مروري بر تکنولوژي نقاط کوانتمي