این همان چیزی است که دانشمندان در Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) در حال حاضر به عنوان بخشی از یک پروژه تحقیقاتی مشترک که با همکاری مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی Argonne-Northwestern (ANSER) در دانشگاه Northwestern در Evanston، ایالات متحده آمریکا انجام می شود کار می کنند. توزیع متناسب اسپین های الکترونی می تواند کارایی سلول های خورشیدی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد که به لطف آخرین تحقیقات، یک گام نزدیکتر به امکان پذیر شدن است. این یافته ها در مجله علمی Chem منتشر شده است.

مصرف انرژی جهانی در حال افزایش است و روند صعودی در طول سال های آینده ادامه دارد. پاسخگویی به تقاضا با در نظر گرفتن حفاظت از محیط زیست، تولید برق از منابع انرژی تجدید پذیر خورشیدی، باد، آب و زیست توده اهمیت بیشتری به دست می آورد. با این حال، تنها حدود شش درصد از برق ناخالص تولید شده در آلمان در سال 2017 از سیستم های فتوولتائیک به دست آمد و فناوری که در حال حاضر در دسترس است - بر اساس سیلیکون - از سرعت بالایی برخوردار است.

تولید برق بیشتر از سلول های خورشیدی

سلول های خورشیدی در تبدیل انرژی خورشیدی به برق بسیار ناکارآمد هستندکه بهره وری آن ها در حال حاضر در حدود 20 تا 25 درصد است. رویه های جدید برای افزایش قابل توجه عملکرد سلول های خورشیدی و تولید برق بیشتر مورد نیاز است. این پاسخ در فرآیندهای شیمیایی فیزیکی یافت می شود که به طور قابل توجهی باعث افزایش کارایی سلول های خورشیدی می شود. دانشمندان FAU و مرکز ANSER به عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی مشترک خود در پروژه Initial Fields Initiative (EFI) توزیع متناسب اسپینهای الکترونی در مواد جدید مواد آلی مورد بررسی قرار دادند و متوجه شدند که این روش، رویکرد نسبتا زیادی در راستای ارتقای کارایی سلول های خورشیدی دارد. محققان به بررسی مکانیزم شبیه سازی توزیع متناسب اسپین ها (SF) پرداخته اند که در آن یک فوتون دو الکترون را تحریک می کند.

به دست آوردن درک بهتر از توزیع متناسب اسپینها

اصل توزیع متناسب اسپین های الکترونی تقریبا پنجاه سال پیش کشف شد، اما پتانسیل آن برای افزایش قابل ملاحظه کارایی سلول های آلی خورشیدی تنها توسط دانشمندان در ایالات متحده کمتر از ده سال پیش شناخته شد. از آن به بعد، محققان در سرتاسر جهان تلاش کرده اند درک دقیق تر فرآیندهای اساسی و مکانیسم های پیچیده پشت پرده  آن را به دست آورند.

درحال حاضر پروفسور مایکل واسیلوسکی از مرکز ANSER، محققان FAU - پروفسور دکتر دیرک گلدی از رشته شیمی فیزیک پروفسور ریک تیکینسکی از رشته شیمی شیمی آلی (از زمان انتقال به دانشگاه آلبرتا) کانادا، پروفسور دکتر مایکل توسس از ریاضی فیزیک حالت جامد تئوری (از آنجا که به آلبرت لودویگز دانشگاه Freiburg نقل مکان کرد) و پروفسور دکتر تیم کلارک از مرکز شیمی کامپیوتر (CCC) موفق به روشن کردن برخی جنبه های مهم SF شدند.

جزئیات دقیق  فرآیند

هنگامی که یک فوتون از نور خورشید با یک مولکول جذب می شود، سطح انرژی یکی از الکترون ها در مولکول افزایش می یابد. با جذب یک فوتون، یک مولکول آلی به حالت انرژی بالاتر تبدیل می شود. از این انرژی می توان در سلول های خورشیدی تولید و به طور موقت در داخل مولکول ذخیره شود.

سناریوی مطلوب در سلول های خورشیدی معمولی این است که هر فوتون یک الکترون را به عنوان یک حامل برای برق تولید می کند. با این حال،اگر دیمرها از ترکیبات شیمیایی انتخاب شده استفاده شوند، دو الکترون از مولکول های همسایه می تواند تبدیل به حالت انرژی بالایی شود. در مجموع، یک فوتون دو الکترون هیجانی تولید می کند که به نوبه خود می تواند برای تولید جریان الکتریکی استفاده شود. این فرایند به عنوان SF شناخته می شود و در سناریو ایده آل می تواند عملکرد سلول های خورشیدی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. مواد شیمیایی و فیزیکدانان در FAU و مرکز ANSER مکانیزم پایه را به صورت دقیق تر مورد بررسی قرار داده اند که منجر به درک قابل ملاحظه ای گسترده تر از روند SF می شود.

نتایج مهم

در اولین گام در تحقیقات خود، دانشمندان یک دیمر مولکولی را از دو واحد پنتاسن (pentacene )ساختند. این هیدروکربن به عنوان یک نامزد امیدوار برای استفاده از توزیع متناسب اسپین های الکترونی در سلول های خورشیدی محسوب می شود. سپس آن ها مایع را در معرض نور قرار داده و از روش های مختلف طیف سنجی برای بررسی فرآیندهای فتوفیزیک درون مولکول استفاده می کنند.

این امر به محققان سه بینش گسترده ای را در مورد مکانیزم SF می دهد. اولا، آنها موفق شدند ثابت کنند که اتصال به حالت انتقال بار بالاتر برای افزایش SFضروری است. دوما، آن ها یک مدل SF را ایجاد و منتشر کرده اند که مورد تأیید قرار گرفت (doi: 10.1038 / ncomms15171). و در نهایت ثابت کردند که بهره وری SF به وضوح با دو واحد زیر پنتاسن (pentacene sub-units ) مرتبط است.

نقطه عطف مهم در استفاده از سیستم های فتوولتائیک بر پایه SF برای تولید برق است. هرچند تحقیقات اساسی هنوز لازم است.

شایان ذکر است که این تحقیق در دانشگاه ارلانگن نورنبرگ انجام گرفته است.