سلول‌های خورشیدی داخلی: راهکاری برای تغذیه بی‌وقفه دستگاه‌های هوشمند

با توجه به پیش‌بینی‌ها مبنی بر اینکه تا سال ۲۰۳۰ بیش از ۵۰۰ میلیارد دستگاه به اینترنت متصل خواهند شد، تأمین انرژی این ابزارها یک چالش بزرگ است. دانشمندان به دنبال راهی برای تغذیه این حجم عظیم از حسگرها، گجت‌های بی‌سیم و رایانه‌های کوچک بدون نیاز به تعویض مداوم باتری‌ها هستند.

راه‌حل بالقوه

پژوهشگران کالج دانشگاهی لندن و همکاران بین‌المللی آنها، یک راه‌حل نوآورانه ارائه داده‌اند. آنها سلول‌های خورشیدی داخلی را توسعه داده‌اند که می‌توانند انرژی را از منابع نوری روزمره مانند چراغ‌های LED و لامپ‌های فلورسنت جذب کنند. این سلول‌ها با بازده تبدیل توان داخلی (iPCE) بی‌سابقه ۳۷.۶ درصد در شرایط نوری معمولی، عملکرد فوق‌العاده‌ای از خود نشان داده‌اند که آنها را در میان بهترین‌های این حوزه قرار می‌دهد.

فناوری پروسکایت

این سلول‌ها بر پایه فناوری پروسکایت‌های با پهنای باند وسیع ساخته شده‌اند. برخلاف پنل‌های خورشیدی سیلیکونی که برای فضای باز طراحی شده‌اند، این سلول‌ها به‌طور خاص برای جذب نور داخلی و تأمین انرژی دستگاه‌های کوچک نسل بعدی مهندسی شده‌اند. این ویژگی می‌تواند به دستگاه‌ها امکان کارکردی دائمی بدون نیاز به خاموشی یا تعویض باتری را بدهد.

بهبود عملکرد با عملیات غیرفعال‌سازی سه‌گانه

رمز موفقیت این سلول‌ها، استفاده از یک استراتژی جدید به نام عملیات غیرفعال‌سازی سه‌گانه (TPT) است. این رویکرد با استفاده از سه ترکیب شیمیایی، مشکلاتی مانند اتلاف انرژی ناشی از نقص‌های ماده و تغییرات شیمیایی مخرب را که پیش از این عملکرد سلول‌های خورشیدی داخلی را محدود می‌کرد، حل می‌کند. این روش با ایجاد تعادل جدیدی در سطوح ماده، استخراج انرژی از نور را برای سلول آسان‌تر می‌کند. نتایج نشان‌دهنده افزایش چشمگیر چهاربرابری در توانایی ماده برای بازتاب نور است که نشانه کاهش نقص‌های هدردهنده انرژی و پتانسیل بهتر برای تبدیل انرژی است.

پایداری طولانی‌مدت

پژوهشگران سلول‌های خود را زیر نور ۱۰۰۰ لوکس (معادل روشنایی یک اداره) آزمایش کردند. در تست‌های پایداری، این دستگاه‌ها پس از بیش از چهار ماه و حدود ۳۲۰۰ ساعت، ۹۲ درصد از عملکرد اولیه خود را حفظ کردند. در شرایط سخت‌تر، این میزان به ۷۶ درصد رسید. این مقاومت بالا به دلیل توانایی این رویکرد در جلوگیری از فرآیند تخریبی تفکیک فاز هالید است که باعث از دست رفتن کارایی سلول در مواجهه با نور می‌شود. این پیشرفت‌ها نویدبخش راه‌حلی پایدار و مؤثر برای تأمین انرژی آینده دستگاه‌های هوشمند است.

کاربردها در دنیای واقعی

فناوری برداشت انرژی داخلی می‌تواند نحوه کارکرد دستگاه‌های هوشمند در خانه‌ها، ادارات و محیط‌های صنعتی را متحول کند. به جای تعویض منظم باتری، دستگاه‌هایی مانند ترموستات‌های هوشمند، حسگرهای امنیتی و مانیتورهای محیطی می‌توانند به طور نامحدود با استفاده از نور محیطی خود تغذیه شوند.

بازدهی بالای این فناوری به این معنی است که حتی پنل‌های خورشیدی کوچک می‌توانند انرژی کافی برای وسایل الکترونیکی کم‌مصرف تولید کنند. تنها چند سانتی‌متر مربع از این سلول‌ها می‌توانند به طور پیوسته یک حسگر بی‌سیم یا یک کلید هوشمند را در یک محیط معمولی داخلی روشن نگه دارند.

دیدگاه متخصص

دکتر مجتبی عبدی جالبی، نویسنده ارشد این مطالعه، به این موضوع اشاره می‌کند که میلیاردها دستگاه کم‌مصرف به باتری وابسته هستند و با گسترش اینترنت اشیا (IoT) این تعداد افزایش خواهد یافت. او می‌گوید: «سلول‌های خورشیدی که در حال حاضر انرژی را از نور داخلی می‌گیرند، گران و ناکارآمدند.»

وی توضیح می‌دهد: «سلول‌های خورشیدی پروسکایت که ما مهندسی کرده‌ایم، می‌توانند انرژی بسیار بیشتری از سلول‌های تجاری برداشت کنند و بادوام‌تر از نمونه‌های اولیه دیگر هستند. این امر راه را برای الکترونیک‌هایی که با نور محیطی تغذیه می‌شوند، هموار می‌کند.» دکتر جالبی اضافه می‌کند که گفتگوها با شرکای صنعتی برای تولید انبوه و تجاری‌سازی این فناوری در حال انجام است.

مزایای تولید و آینده

تولید سلول‌های خورشیدی پروسکایت با فرآیندهای ساده‌تر و در دمای پایین‌تر انجام می‌شود که این ویژگی به کاهش هزینه تولید در مقایسه با پنل‌های سیلیکونی سنتی کمک می‌کند. این پیشرفت گامی بزرگ به سوی دستگاه‌های متصل و واقعاً خودمختار است که می‌توانند بدون دخالت انسان به کار خود ادامه دهند.

با توجه به اینکه نور داخلی تقریباً در هر محیط ساخته‌شده‌ای وجود دارد، این سلول‌های خورشیدی با بازدهی بالا می‌توانند نور محیطی را از یک وسیله ساده به یک منبع انرژی پایدار برای دنیای اینترنت اشیا تبدیل کنند.

این یافته‌ها در مجله Advanced Functional Materials به چاپ رسیده‌اند.