سلول خورشیدی جدیدی که در آن به جای سیم‌های فلزی از خاصیت فلزی ایجاد شده در سطح مشترک دو لایه‌ی اکسیدی استفاده می‌شود، توسط پژوهش‌گران ارائه شده است.

نوع جدیدی از سلول خورشیدی که به ویژگی‌ شگفت انگیزی از عایق‌های خاصی متکی است، توسط فیزیکدانانی در اتریش، ایالات متحده و آلمان ارائه شده است. این طرح متکی به کشف یک دهه‌ی پیش است که فصل مشترک بین دو اکسید عایق می‌تواند باعث ایجاد خاصیت فلزی شود و این باعث حذف نیاز به سیم در سلول‌های خورشیدی خواهد شد. اگر هزینه‌ی تولید ساختارهای لایه‌ای اکسیدها بتواند کاهش داده شود، این پژوهش می‌تواند منجر به نوع جدیدی از سلول‌های فوتوولتائیک (photovoltaic cell) بسیار کارامد شود.

ساختار چندلایه‌ای لانتانیوم وانادات و استرانسیوم تیتانات

در سال 2004 هارولد هوانگ (Harold Hwang) و آکیرا اوتومو (Akira Ohtomo) کشف قابل‌توجهی کردند. زمانی که یک لایه لانتانیوم تیتانات (lanthanum titanate) عایق روی استرانسیوم تیتانات (strontium titanate) عایق رشد داده شد، یک گاز الکترونی دو بعدی در فصل مشترک آن‌ها تشکیل شد که باعث شد خاصیت فلزی پیدا کند. این پدیده به واسطه‌ی تجمع بار در لبه‌ی اکسید قطبی هنگام برخورد با اکسید غیرقطبی ایجاد می‌شود. از آن زمان به بعد، این پدیده در سایر سطوح اکسیدی مشاهده شده است و توسط گروه‌های پژوهشی متعددی که در تلاش برای توسعه‌ی دستگاه‌های الکترونیکی جدید و بهبودیافته هستند، مورد بررسی قرار گرفته است.

سطوح فصل مشترک رسانا

اکنون تیم مستقلی از پژوهش‌گران از دانشگاه صنعتی وینا، آزمایشگاه ملی اواک ریج (Oak Ridge National Laboratory) و دانشگاه وورتسبورگ (University of Würzburg) محاسباتی را انجام داده‌اند که نشان می‌دهد این اثر می‌تواند برای تولید نوع جدیدی از سلول خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد که در آن جریان تولید شده از طریق سطوح رسانا به جای استفاده از سیم‌های فلزی استخراج می‌شود.

در سلول‌های خورشیدی متکی بر اثر فوتوالکتریک، فوتونی که به الکترونی در نوار ظرفیت ماده برخورد کرده، در انتقال آن به نوار هدایت کمک می‌کند و حفره‌ای با بار مثبت را باقی می‌گذارد. این الکترون‌ها و حفره‌ها باید بدون بازترکیب یا اتلاف انرژی‌شان در قالب ارتعاشات شبکه‌ای، از ماده‌ی فوتوولتائیک حذف شوند.

اکسیدهای قطبی مانند لانتانیوم تیتانات شامل یک میدان الکتریکی داخلی و  صفحه‌های باردار مثبت و منفی از اتم‌ها هستند. ساتوشی اوکاموتو (Satoshi Okamoto) و همکارانش استدلال کردند که این قطبیدگی به جداسازی الکترون‌ها و حفره‌ها قبل از آنکه بازترکیب شوند، کمک می‌کند. اگر چنین اکسید قطبی با اکسید غیرقطبی مناسبی جفت شود، فصل مشترک‌ها خاصیت فلزی پیدا خواهند کرد. در نتیجه الکترون‌ها و حفره‌ها می‌توانند از هر طرف دستگاه بدون پوشش سطح با سیم استخراج شوند و این بخشی از نور را از رسیدن به ناحیه‌ی فعال سلول باز می‌دارد.

به حداکثر رساندن جذب

این پژوهش‌گران در ابتدا نیاز به اکسید قطبی‌ای داشتند که بتواند تا آن‌جا که ممکن است، انرژی خورشیدی را جذب کند. گاف نواری ماده اختلاف انرژی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش است. فوتون‌ها با انرژی کمتر از گاف نواری نمی‌توانند جفت‌های الکترون-حفره را ایجاد کنند، در حالی که فوتون‌های با انرژی بیشتر از گاف نواری این جفت‌ها را به وجود خواهند آورد. هرچند در مورد دوم، اضافی انرژی به صورت گرما از دست می‌رود. در نتیجه، مقدار گاف نواری باید به اندازه‌ی کافی کم باشد تا تعداد زیادی از فوتون‌های خورشیدی را جذب کند و از طرفی به اندازه‌ی کافی بزرگ باشد تا حداکثر انرژی را از فوتون‌های جذب شده استخراج کنند.

این پژوهش‌گران تصمیم گرفتند از لانتانیوم وانادات (lanthanum vanadate) استفاده کنند که دارای گاف نواری 1.1 eV (نور مرئی در محدوده‌ی گستره‌ی انرژی   1.5 - 3.5 eVقرار دارد) است.  آن‌ها از نظریه‌ی تابعی چگالی (density functional theory) جهت مدل‌سازی رفتار سلول خورشیدی ساخته شده از لایه‌ای از لانتانیوم وانادات رشد یافته روی زیرلایه‌ی استرانسیوم تیتانات استفاده کردند. در حالی که آن‌ها قادر به پیش‌بینی دقیق بازده‌ی دستگاه بر مبنای نتایج خود نبودند، نشان می‌دهند که مزیت‌های ذاتی در طراحی دستگاه سزاوار بررسی بیشتر است.

گیراندازی فوتون‌های با انرژی بالاتر

این پژوهش‌گران هم‌چنین نشان می‌دهند که بازده‌ی این سلول خورشیدی می‌تواند با ترکیب لایه‌ای از لانتانیوم فرات (lanthanum ferrate) در بالای لانتانیوم وانادات افزایش یابد. لانتانیوم فرات گاف نواری به میزان 2.2 eV دارد، بنابراین فوتون‌های با انرژی بالاتر می‌توانند در این لایه گیراندازی شوند. فوتون‌های با انرژی پایین‌تر باقی مانده، توسط لانتانیوم وانادات گیراندازی می‌شوند. این پروژه جهت تولید نمونه‌ی آزمایشی سلول خورشیدی در دانشگاه وورتسبورگ در حال انجام است.

خوش‌بینانه اما با احتیاط

اوکاموتو خوش‌بین است که این سلول‌های خورشیدی به اندازه‌ی کافی کارامد باشند تا از لحاظ اقتصادی ماندگار بمانند. او می‌گوید: « آن‌ها می‌توانند با انواع دیگر سلول خورشیدی رقابت کنند، اما این نیاز به زمانی طولانی دارد. در حال حاضر تنها امکانات محدودی برای رشد ساختارهای ناهمگن با استفاده از روش‌های رشد لایه نازکِ بسیار پیشرفته وجود دارد. امیدوارم زمانی که بهترین روش برای رشد این سلول‌های خورشیدی پیدا شود، هزینه ساخت آن کاهش یابد.»

نیل گرین‌هام (Neil Greenham) که روی سلول‌های خورشیدی جدید در دانشگاه کمبریج کار می‌کند، درباره‌ی این پژوهش که در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است، می‌گوید: «مقاله‌ی تئوری جالبی است.» اما او تاکید می‌کند ارزیابی اینکه این سلول‌های خورشیدی مزیت کاربردی در مقایسه با سلول‌های کنونی دارند تا زمانی که نمونه‌ی آزمایشگاهی آن تولید نشود، غیرممکن خواهد بود. هم‌چنین او سوالی می‌پرسد که مدعی است به آسانی آمیختن دو لایه‌ی رونشانی شده می‌تواند اجازه دهد جفت‌های الکترون-حفره با دو انرژی متفاوت جمع آوری شوند. این نشان می‌دهد جز در حالتی که جفت‌های الکترون-حفره به طور جداگانه استخراج شوند، هر انرژی اضافی که توسط الکترون موجود در لانتانیوم فرات گیراندازی شود، هنگامی که از میان لانتانیوم وانادات عبور می‌کند به شبکه داده خواهد شد. اوکاموتو پاسخ می‌دهد که الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده مبتنی بر فوتون باید از لایه‌ی نازکی از لانتانیوم وانادات طی چندین فمتوثانیه عبور کنند، که این زمان کمتر از آن است که بتوانند انرژی خود را در شبکه از دست بدهند.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/feb/18/physicists-propose-wireless-solar-cells