زهرا وجدانی: انرژی خورشیدی یکی از مهم‌ترین منابع انرژی پاک و پایدار در جهان امروز است و تحقیقات علمی همواره به دنبال افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه تولید پنل‌های خورشیدی بوده‌اند. طی دهه‌های گذشته فیزیکدانان و مهندسان معتقد بودند که دستیابی به سلول‌های خورشیدی ساده و کارآمد با استفاده از یک ماده آلی تنها تقریبا غیرممکن است.
با این حال اخیرا پژوهشگران دانشگاه کمبریج موفق شدند یک مولکول آلی منحصر‌به‌فرد طراحی کنند که قادر است بدون نیاز به ترکیب با مواد دیگر، بار‌های الکتریکی تولید کرده و نور خورشید را به برق تبدیل کند. این کشف نوید نسل جدیدی از سلول‌های خورشیدی سبک، کم‌هزینه و با بهره‌وری بالا را می‌دهد و می‌تواند مسیر توسعه انرژی‌های پایدار را دگرگون کند.
در ادامه به بررسی ویژگی‌های مولکول P۳TTM، مکانیسم تولید برق، عملکرد سلول خورشیدی نمونه و اهمیت علمی و تاریخی این کشف می‌پردازیم.
مولکولی با قدرت خارق‌العاده
این پیشرفت بر پایه مطالعه یک مولکول نیمه‌رسانای آلی درخشان به نام P۳TTM استوار است. این مولکول دارای یک الکترون تنها در هسته خود است که خواص الکترونیکی و مغناطیسی منحصر به فردی ایجاد می‌کند و رفتار آن را از سایر مواد آلی متمایز می‌سازد.
بی‌ون لی، پژوهشگر ارشد تیم توضیح می‌دهد: کلید موفقیت ما در نحوه تعامل مولکول‌ها با یکدیگر نهفته است. زمانی که مولکول‌ها به صورت فشرده کنار هم قرار می‌گیرند، الکترون‌های تنها در محل‌های همسایه به‌طور متناوب بالا و پایین قرار می‌گیرند و این تعامل باعث تولید بار‌های الکتریکی مثبت و منفی می‌شود.
بهره‌گیری از رفتار مارت-هابارد در مواد آلی
این رفتار که در فیزیک ماده چگال به عنوان رفتار Mott-Hubbard شناخته می‌شود، پیش‌تر تنها در اکسید‌های فلزی پیچیده مشاهده می‌شد. اما کشف کمبریج نشان می‌دهد که این مکانیسم می‌تواند در یک مولکول آلی ساده نیز فعال شود و بار‌های الکتریکی ایجاد کند.
لی ادامه می‌دهد: این همان جادوی واقعی است؛ وقتی نور به مولکول برخورد می‌کند، الکترون‌ها به نزدیک‌ترین همسایه خود می‌پرند و بار‌های مثبت و منفی تولید می‌کنند که قابل استخراج برای تولید جریان برق هستند.
اثبات مفهوم با سلول خورشیدی نمونه
برای نمایش عملی این مکانیسم تیم تحقیقاتی یک سلول خورشیدی ساخته شده از فیلم مولکول P۳TTM طراحی کرد. تاباندن نور به این دستگاه منجر به دستیابی به بهره‌وری نزدیک به واحد در جمع‌آوری بار الکتریکی شد؛ یعنی تقریباً تمام فوتون‌های جذب شده به برق قابل استفاده تبدیل شدند.
در طراحی‌های سنتی، تولید برق نیازمند دو ماده مختلف برای جدا کردن الکترون‌ها و حفره‌ها بود، اما این ماده آلی جدید قادر است بار‌ها را به‌طور مستقل تولید کند؛ امکانی که می‌تواند مسیر تولید سلول‌های خورشیدی کم‌هزینه، سبک و تک‌ماده را هموار کند.
ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد مولکول P۳TTM
مولکول P۳TTM یک نیمه‌رسانای آلی درخشان است که در هسته خود دارای یک الکترون تنها است. این الکترون تنها باعث ایجاد خواص الکترونیکی و مغناطیسی ویژه‌ای می‌شود که رفتار مولکول را از سایر مواد آلی متمایز می‌سازد. زمانی که این مولکول‌ها به صورت فشرده کنار هم قرار می‌گیرند، الکترون‌ها به‌طور متناوب بالا و پایین قرار گرفته و تعامل بین آنها منجر به تولید بار‌های مثبت و منفی می‌شود.
ادای احترام به نوابغ فیزیک مدرن
این پژوهش ارجاعی نیز به کار‌های فیزیکدان برجسته، سر نوویل موت دارد کسی که مطالعاتش پایه‌های فیزیک ماده چگال مدرن را شکل داد. ریچارد فرند، نویسنده ارشد مقاله گفت: دیدگاه‌های موت برای من و درک ما از نیمه‌رسانا‌ها بنیادی بود. اکنون می‌بینیم قوانین کوانتومی او در مواد آلی جدید تجلی یافته و می‌توان از آنها برای جمع‌آوری نور استفاده کرد؛ این تجربه‌ای واقعاً ویژه است.
آینده انرژی پایدار با انرژی مولکولی
حل این مسئله یک‌صد ساله فیزیک، مسیر تولید سلول‌های خورشیدی با بهره‌وری بسیار بالا و قابلیت ساخت آسان را هموار کرده است و می‌تواند شتاب‌دهنده گذار به انرژی پایدار و ارزان باشد. این کشف نه تنها یک تحول علمی در زمینه فیزیک و مواد آلی است، بلکه نویددهنده تولید نسل جدیدی از پنل‌های خورشیدی با کارایی و انعطاف‌پذیری بی‌سابقه است.
کشف مولکول P۳TTM افق تازه‌ای در دنیای انرژی‌های تجدیدپذیر گشوده است. این نوآوری نشان می‌دهد که سلول‌های خورشیدی با بهره‌وری بسیار بالا و قابلیت ساخت از یک ماده آلی واحد نه تنها ممکن است بلکه عملیاتی و قابل تولید هستند. دستیابی به این سطح از کارایی بدون نیاز به ترکیب با مواد دیگر یک بازتعریف بنیادین در طراحی سلول‌های خورشیدی محسوب می‌شود و می‌تواند مسیر توسعه پنل‌های سبک، کم‌هزینه و قابل انطباق با محیط‌های متنوع را هموار کند.
از منظر علمی، این کشف نشان می‌دهد که رفتار‌های کوانتومی و الکترونیکی پیشرفته که پیش‌تر مختص مواد معدنی پیچیده بود، در مواد آلی ساده نیز قابل بهره‌برداری هستند. از منظر کاربردی این پیشرفت، نویددهنده شتاب در گذار جهانی به انرژی پایدار و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی است و می‌تواند نقش مهمی در کاهش هزینه و افزایش انعطاف‌پذیری سیستم‌های تولید انرژی ایفا کند.
اما سوال نهایی این است: آیا این کشف می‌تواند مسیر تولید تمام پنل‌های خورشیدی جهان را به کلی تغییر دهد و انقلاب واقعی در انرژی‌های تجدیدپذیر ایجاد کند؟
انتهای پیام/