همشهری آنلاین – یکتا فراهانی: برای نخستین‌بار، پژوهشگران با استفاده از “دانه‌هایی میکروسکوپی” توانستند لایه‌هایی همگن از مواد پرُوسکایتی بسازند؛ موادی که از مدت‌ها پیش به‌عنوان امید اصلی تولید انرژی خورشیدی ارزان، سبک، و پربازده مطرح بوده‌اند.
پرُوسکایت‌ها موادی ارگانیک و کم‌هزینه هستند که در سال‌های اخیر توجه گسترده‌ای به آن‌ها به‌عنوان گزینه‌ای آینده‌دار برای سلول‌های خورشیدی جلب شده است.
بذر پایه
گروهی از مهندسان دانشگاه رایس با معرفی روشی نوآورانه موسوم به رشد بذر پایه (seeded growth) موفق شده‌اند فیلم‌هایی بسیار یکنواخت از نوع دوبعدی این مواد تولید کنند.
این فیلم‌ها، برخلاف نمونه‌های قبلی، همزمان هم کارآمد و هم پایدارند؛ ترکیبی که تاکنون دستیابی به آن چالش‌برانگیز بود.
اهمیت یکنواختی
به گفته دکتر آدیتیا موهیت، استاد مهندسی شیمی و علم مواد در دانشگاه رایس، بزرگ‌ترین مانع در استفاده از پرُوسکایت‌های دوبعدی، ناهمگنی ضخامت آن‌ها در مقیاس نانو بود؛ مشکلی که موجب کاهش بهره‌وری دستگاه‌های نوری و خورشیدی می‌شد.
او می‌گوید: وقتی ضخامت ماده تغییر می‌کند، چشم‌انداز انرژی هم تغییر می‌کند و این یعنی افت کارایی؛ چون بارها به مانع برخورد می‌کنند و بخشی از انرژی هدر می‌رود.
اما روش رشد از دانه، امکان تولید لایه‌هایی همگن را فراهم می‌کند؛ لایه‌هایی که در آزمایشگاه، راندمانی نزدیک به ۱۷ درصد نشان دادند ـ آن هم بدون هیچ‌گونه بهینه‌سازی تخصصی.
بیشتر بخوانید :
حافظه کریستالی
روش کلاسیک رشد پرُوسکایت‌ها مثل آشپزی است: ترکیب چند ماده اولیه در یک حلال و پخش آن روی سطحی صاف با استفاده از چرخش سریع (spin-coating). اما نتیجه، فیلمی ناهمگن و پُلی‌دی‌پرس (چندضخامتی) خواهد بود.
در روش جدید، ابتدا یک کریستال یکنواخت دوبعدی پرورش می‌یابد و سپس به‌صورت پودر آسیاب می‌شود. این پودر به‌جای مواد خام، در حلال حل و روی سطح چرخان پخش می‌شود. برخلاف تصور، بعضی از این دانه‌ها کاملاً حل نمی‌شوند؛ بلکه به‌عنوان “الگو” یا “حافظه” کریستالی عمل می‌کنند و باعث شکل‌گیری فیلم‌هایی همگن و مشابه کریستال اولیه می‌شوند.
دانشی که از همسایگی زاده شد
دانشمندان با استفاده از تکنیکی موسوم به “پراکندگی دینامیکی نور” (Dynamic Light Scattering) که معمولاً برای پلیمرها به کار می‌رود، توانستند اندازه دانه‌ها را در محلول اندازه‌گیری کنند و روند تبلور آن‌ها را زیر نظر بگیرند. به‌این‌ترتیب روشن شد که بعضی از دانه‌ها به‌عنوان هسته‌های رشد عمل می‌کنند و نقش کلیدی در یکنواختی فیلم نهایی دارند.
پایداری بالا بدون نیاز به خنک‌سازی
یکی از ویژگی‌های چشمگیر این فیلم‌ها، پایداری بالای آن‌هاست. در آزمایش‌ها، بیش از ۹۷ درصد از راندمان اولیه آن‌ها پس از ۸۰۰ ساعت تابش نور حفظ شد؛ آن هم بدون نیاز به سیستم‌های مدیریت حرارتی.
درحالی‌که پرُوسکایت‌های سه‌بعدی درگذشته راندمان بالایی داشتند؛ اما به‌سرعت تجزیه می‌شدند، و نسخه‌های دوبعدی هرچند پایدار اما کم‌بازده بودند، فیلم‌های تولیدشده با روش جدید هر دو ویژگی را با هم دارند.
آیا این روش آینده مواد نانو را دگرگون می‌کند؟
این‌که بتوانیم با خودآرایی (self-assembly) موادی ماکروسکوپی بسازیم که کیفیت و ویژگی‌های نانومواد را حفظ کنند، اتفاقی نادر اما بسیار مهم است.
دستاورد موجود فقط محدود به پرُوسکایت نیست. حالا این سؤال مطرح است که آیا می‌توان از این روش برای مواد دیگر نیز استفاده کرد؟
تحقق سلول‌های خورشیدی پایدار
دستاورد تازه دانشگاه رایس، نه‌تنها گامی بزرگ در مسیر تحقق سلول‌های خورشیدی پایدار و کارآمد است، بلکه افقی جدید برای مهندسی مواد نانومقیاس می‌گشاید. روزی شاید به‌راستی، خورشید از دل دانه‌ای می‌روید…
source