کشف ماده‌ ایده‌آل برای پنجره‌های هوشمند فوتوولتائیک

پنجره های فوتوولتائیک با تغییر و گذار از حالت شفاف به غیرشفاف در ساعات مختلف روز به صرفه‌جویی در مصرف انرژی کمک می‌کنند. 

پنجره‌های هوشمندی که با تاریک شدن و سردشدن شفاف می‌شوند؛ اما هنگام تابش نور خورشید به‌صورت خودکار تیره می‌شوند، از دستگاه‌های مقرون‌به صرفه‌ای هستند که محبوبیت آن‌ها روز به روز در حال افزایش است. تصور کنید وقتی پنجره تاریک شود، همزمان برق تولید کند. چنین ماده‌ای یک شیشه‌ای فوتوولتائیک و ترموکرومیک است، یک فناوری که مدت‌هاست پژوهشگران روی آن کار می‌کنند و امروزه دانشمندان آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) روشی برای عملی ساختن آن ارائه کرده‌اند.

پژوهشگران آزمایشگاه برکلی، بخش انرژی آزمایشگاه ملی (DOE) اخیرا کشف کرده‌اند که یک نوع پراوسکیت (یکی از  داغ‌ترین موادی که به خاطر بازدهی بالا در پژوهش‌های خورشیدی کاربرد دارد)، بدون کاهش خواص الکترونیکی، به‌عنوان یک نیمه‌رسانای فوتواکتیو و پایدار عملکرد بسیار خوبی دارد؛  پدیده‌ای که قادر است بین حالت شفاف و غیرشفاف تغییر حالت دهد.

این پژوهش با سرپرستی پدیونگ بانگ از بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی، در مجله‌ی Nature Materials و تحت یک بررسی با عنوان  سلول‌های خورشیدی پراوسکیت هالید ترموکرومیک منتشر شد. مؤلفان این مقاله جیا لین، مینلیانگ لای و لتیان دو از گروه پژوهشی یانگ هستند.

دانشمندان در حین بررسی فاز گذار ماده‌ی  پراوسکیت غیرآلی به این نتیجه دست پیدا کردند. به‌گفته‌ی یانگ، استاد بخش شیمی، مهندسی و علوم مواد از دانشگاه برکلی UC:

 این نوع ماده‌ی پراوسکیت هالید غیرعالی، گذار فازی شگفت‌انگیزی دارد. وقتی دمای این ماده را به تدریج تغییر دهیم یا آن را در معرض اندکی بخار آب قرار دهیم، می‌تواند از یک ساختار کریستالی وارد ساختار دیگر شود. وقتی ساختار کریستالی مواد تغییر می‌کند، از حالت شفاف وارد حالت غیرشفاف می‌شود. این دو حالت ترکیب یکسانی دارند، اما ساختارهای کریستالی آن‌ها متفاوت است. این پدیده بسیار جذاب است. یکی از مزیت‌های آن امکان تغییر آن است که در حال حاضر در نیمه‌رساناهای معمولی وجود ندارد.

مواد پراوسکیت هالید، ترکیب‌هایی با ساختارهای کریستالی پراوسکیت معدنی هستند. ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد ، نسبت‌های بازدهی بالا و سهولت پردازش آن‌ها را به یکی از امیدبخش‌ترین توسعه‌ها در فناوری خورشیدی سال‌های اخیر تبدیل کرده است.

اخیرا پژوهشگران در یک  آزمایشگاه دیگر DOE، آزمایشگاه انرژی تجدیدپذیری ملی (NREL)، با استفاده از یک واکنش شیمیایی در پراوسکیت پیوندی برای نمایش یک پنجره‌ی خورشیدی قابل تبدیل، توانسته‌اند به یک کشف مرتبط دست پیدا کنند. پژوهشگران آزمایشگاه برکلی، از همان ابتدا قصد توسعه‌ی یک پنجره‌ی خورشیدی ترموکرومیک را نداشتند. هدف آن‌ها بررسی فازهای گذار در سلول های خورشدی پراوسکیت و تلاش برای بهبود پایداری و ثبات یدید هادی متیل آلومینیوم پراوسکیت پیوندی آلی-غیرآلی بود. بنابراین سعی کردند سزیوم را جایگزین متیل‌آلومینیوم کنند. به گفته‌ی دوئو، دستیار پژوهش فوق دکترا و استادیار دانشگاهپایداری شیمیایی به شکل چشم‌گیری افزایش یافته است اما متأسفانه فاز پایدار نبود و ماده وارد یک فاز با دمای پائین شد. این یکی از معایب بود اما بعدا آن را به یک مزیت منحصر‌به فرد تبدیل کردیم.

این مواد برای گذار از فاز کم‌دما به فاز دمای بالا از طریق گرما تحریک می‌شوند (از شفاف به غیرشفاف). دمای لازم در آزمایشگاه تقریبا برابر با ۱۰۰ درجه‌ی سلسیوس است. به‌گفته‌ی یانگ، آن‌ها در تلاشند این دما را تا ۶۰ درجه‌ی سلسیوس کاهش دهند. لین، یکی از همکاران دوره‌ی فوق دکترای آزمایشگاه برکلی، می‌گوید، در آزمایشگاه از رطوبت یا نم برای گذار معکوس استفاده شد.

 میزان رطوبت مورد نیاز به ترکیب و زمان مورد نیاز برای گذار وابسته است. برای مثال، برمور منجر به پایداری بیشتر ماده می‌شود. در نتیجه همان مقدار رطوبت برای رسیدن از حالت دمای بالا به حالت کم دما به زمان بیشتری نیاز دارد.

پژوهشگران همچنان در حال کار روی توسعه‌ی روش‌های مختلف تحریک گذار معکوس هستند، برای مثال می‌توان به اعمال ولتاژ یا مهندسی منبع رطوبت اشاره کرد. به‌گفته‌ی لای، یکی از دانش‌آموخته‌های فعال در گروه یانگ:سلول خورشیدی عملکرد کاملا تجدیدپذیر و پایداری بالایی را در چرخه‌های گذار فازی تکراری نشان می‌دهد و هیچ گونه محو رنگ یا کاهش عملکردی در آن مشاهده نمی‌شود. با چنین دستگاهی، یک ساختمان یا اتومبیل می‌تواند انرژی خورشیدی را از طریق یک پنجره‌ی هوشمند فوتوولتائیک برداشت کند.