חוקרים שיפרו את קצירת האנרגיה הסולארית על ידי פיתוח מוליכים למחצה אורגניים המציעים אלטרנטיבה זולה יותר וניתנת להתאמה לסיליקון. פריצת דרך לאחרונה חושפת כי חומרים אלה יכולים להשיג יעילות גבוהה יותר באמצעות מנגנון ייחודי שבו אלקטרונים צוברים אנרגיה, וסוללים את הדרך לתאים סולאריים יעילים יותר וטכנולוגיות ייצור דלק.
מחקר חדש מסביר חלקית את הביצועים יוצאי הדופן של מחלקה חדשה של מוליכים למחצה אורגניים הנקראים לא-פולרן מקבלי (NFA).
אנרגיה סולארית ממלאת תפקיד חיוני במעבר לעתיד של אנרגיה נקייה. בדרך כלל, סיליקון, מוליך למחצה נפוץ שנמצא באלקטרוניקה היומיומית, משמש לקצירת אנרגיה סולארית. עם זאת, פאנלים סולאריים מסיליקון מגיעים עם מגבלות – הם יקרים ומאתגרים להתקנה על משטחים מעוקלים.
חוקרים פיתחו חומרים חלופיים לקצירת אנרגיה סולארית כדי לפתור חסרונות כאלה. בין המבטיחים שבהם מכונים "אורגני" מוליכים למחצהמוליכים למחצה מבוססי פחמן שיש בהם שפע של כדור הארץ, זולים יותר וידידותיים לסביבה.
"הם יכולים להוזיל את עלות הייצור של פאנלים סולאריים מכיוון שניתן לצפות את החומרים הללו על משטחים שרירותיים באמצעות שיטות מבוססות פתרונות – בדיוק כמו איך אנחנו צובעים קיר", אמר וואי-לון צ'אן, פרופסור חבר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטה של קנזס. "ניתן לכוון את החומרים האורגניים הללו לקלוט אור באורכי גל נבחרים, שניתן להשתמש בהם ליצירת פאנלים סולאריים שקופים או פאנלים עם צבעים שונים. מאפיינים אלו הופכים את הפאנלים הסולאריים האורגניים למתאימים במיוחד לשימוש בבניינים ירוקים וברי קיימא מהדור הבא".
בעוד שמוליכים למחצה אורגניים כבר היו בשימוש בפאנל התצוגה של מוצרי אלקטרוניקה כמו טלפונים סלולריים, טלוויזיות ואוזניות מציאות מדומה, עדיין לא נעשה בהם שימוש נרחב בפאנלים סולאריים מסחריים. אחד החסרונות של תאים סולאריים אורגניים היה יעילות ההמרה הנמוכה שלהם מאור לחשמל, כ-12% לעומת תאים סולאריים סיליקון גבישי יחיד המתפקדים ביעילות של 25%.
לדברי צ'אן, אלקטרונים במוליכים למחצה אורגניים נקשרים בדרך כלל לעמיתיהם החיוביים הידועים כ"חורים". בדרך זו, אור הנספג על ידי מוליכים למחצה אורגניים מייצר לעתים קרובות קוואזי-חלקיקים ניטרליים מבחינה חשמלית הידועים כ"אקסיטונים".
פריצת דרך עם קבלנים שאינם פולרן
אבל הפיתוח האחרון של מחלקה חדשה של מוליכים למחצה אורגניים הידועים כ-Non-fullerene acceptors (NFAs) שינתה את הפרדיגמה הזו. תאים סולאריים אורגניים המיוצרים עם NFAs יכולים להגיע ליעילות קרובה יותר ל-20%.
למרות הביצועים המדהימים שלהם, לא ברור לקהילה המדעית מדוע המעמד החדש הזה של NFAs עולה בהרבה על מוליכים למחצה אורגניים אחרים.
במחקר פורץ דרך המופיע ב חומרים מתקדמיםצ'אן והצוות שלו, כולל הסטודנטים לתואר שני Kushal Rijal (סופר ראשי), ננו פולר ופטימה רודייני מהמחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, ובשיתוף פעולה עם סינדי ברי, פרופסור לכימיה ב-KU, גילו מנגנון מיקרוסקופי שפותר ב חלק מהביצועים המדהימים שהושגו על ידי NFA.
המחבר הראשי Kushal Rijal (מימין) וננו פולר (משמאל) ביצעו את מדידת TR-TPPE באמצעות מערכת ספקטרוסקופיה פוטו-פליטת ואקום גבוהה במיוחד המוצגת בתמונה. קרדיט: Kushal ו-Fuller
המפתח לגילוי זה היה מדידות שנלקחו על ידי הסופר הראשי רייל תוך שימוש בטכניקה ניסיונית שזכתה לכינוי "השניים שנפתרו בזמן פוטון ספקטרוסקופיה פוטו-פליטה" או TR-TPPE. שיטה זו אפשרה לצוות לעקוב אחר האנרגיה של אלקטרונים נרגשים ברזולוציית זמן של תת פיקושניות (פחות מטריליון שניה).
"במדידות אלה, Kushal (Rial) ראה שחלק מהאלקטרונים הנרגשים אופטית ב-NFA יכולים לקבל אנרגיה מהסביבה במקום לאבד אנרגיה לסביבה", אמר צ'אן. "התבוננות זו נוגדת את האינטואיציה מכיוון שהאלקטרונים הנרגשים מאבדים את האנרגיה שלהם לסביבה כמו כוס קפה חם המאבדת את החום שלה לסביבה."
הצוות, שעבודתו נתמכה על ידי המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים של משרד האנרגיה, סבור שתהליך יוצא דופן זה מתרחש בקנה מידה מיקרוסקופי הודות להתנהגות הקוונטית של אלקטרונים, המאפשרת לאלקטרון נרגש להופיע בו זמנית על מספר מולקולות. המוזרות הקוונטית הזו משתלבת עם החוק השני של התרמודינמיקה, שקובע שכל תהליך פיזיקלי יוביל לעלייה באנטרופיה הכוללת (המכונה לעתים קרובות "הפרעה") כדי לייצר את תהליך רווח האנרגיה הבלתי רגיל.
"ברוב המקרים, חפץ חם מעביר חום לסביבתו הקרה מכיוון שהעברת החום מובילה לעלייה באנטרופיה הכוללת", אמר ריאל. "אבל מצאנו עבור מולקולות אורגניות מסודרות ספציפית ננומטרי מבנה, הכיוון הטיפוסי של זרימת החום הפוך כדי שהאנטרופיה הכוללת תגדל. זרימת חום הפוכה זו מאפשרת לאקסיטונים ניטרליים לצבור חום מהסביבה ומתנתקת לזוג מטענים חיוביים ושליליים. המטענים החופשיים הללו יכולים בתורם לייצר זרם חשמלי."
השלכות על פתרונות אנרגיה עתידיים
בהתבסס על ממצאי הניסוי שלהם, הצוות מציע שמנגנון הפרדת מטענים מונע אנטרופיה מאפשר לתאים סולאריים אורגניים שנעשו עם NFAs להשיג יעילות הרבה יותר טובה.
"הבנת מנגנון הפרדת המטענים הבסיסי תאפשר לחוקרים לתכנן ננו-מבנים חדשים כדי לנצל את האנטרופיה לזרימת חום, או אנרגיה, בקנה מידה ננו", אמר רייל. "למרות שאנטרופיה היא מושג ידוע בפיזיקה ובכימיה, רק לעתים נדירות נעשה בה שימוש פעיל כדי לשפר את הביצועים של מכשירים להמרת אנרגיה."
לא רק זה: בעוד שצוות KU מאמין שניתן לנצל את המנגנון שהתגלה בעבודה זו כדי לייצר תאים סולאריים יעילים יותר, הם גם חושבים שהוא יכול לעזור לחוקרים לתכנן זרזי צילום יעילים יותר לייצור דלק סולארי, תהליך פוטוכימי המשתמש באור השמש להמרת פחמן דו חמצני לדלקים אורגניים.
