ساخت سلول خورشیدی به ظرفیت ۳۰ برابر با الهام از ساختار گیاهان

پژوهشگران با الهام از دنیای گیاهان، یک الکترود جدید ساخته‌اند که می‌تواند میزان ذخیره‌ی انرژی خورشیدی فعلی ما را تا مقدار شگفت‌آور ۳۰۰۰ درصد افزایش دهد.

فناوری ساخت به‌کاررفته در محصول اخیر از نوع انعطاف‌پذیر است و الکترود ساخته‌شده می‌تواند به‌طور مستقیم به سلول‌ خورشیدی متصل شود. دارا بودن قابلیت فوق به این معنی است که ما در نهایت می‌توانیم خود را یک گام دیگر به گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌هایی نزدیک‌تر ببینیم که توان مورد نیاز خود را از خورشید به دست می‌آورند و هیچ‌گاه باتری آن‌ها خالی نمی‌شود.

 مشکل عمده‌ای که در ارتباط با قابلیت اعتماد در استفاده از انرژی خورشیدی به‌عنوان یک منبع انرژی وجود دارد، در پیدا کردن یک راه مؤثر برای ذخیره‌ی انرژی به‌دست‌آمده به‌منظور استفاده‌های بعدی بدون نشت (اتلاف ناخواسته‌) با گذر زمان است.

 برای این منظور، مهندسان در پژوهش‌های اخیر به ابرخازن‌ها روی آورده‌اند. گفتنی است که ابرخازن‌های نوعی از فناوری‌های دنیای الکترونیک‌ هستند که توانایی شارژ بسیار سریع و آزاد کردن انرژی در مقادیر و شدت‌های بزرگ دارند. اما در حال حاضر، ابرخازن‌ها قادر به ذخیره‌ی انرژی در اندازه‌های کافی برای اینکه آن‌ها را به‌عنوان باتری‌های خورشیدی دوام پذیر به شمار آوریم، نیستند.

 از این‌رو یک تیم از دانشگاه RMIT در ملبورن استرالیا تصمیم به بررسی چگونگی روند کار موجودات زنده در انباشتن مقدار زیادی از انرژی در یک فضای کوچک گرفت. تصورات این تیم پس از اندک زمانی و با معطوف کردن توجهشان بر برگ‌های متفاوت و پُرشکنِ (فراکتال: به شکلی با سطوح ناصاف فراوان و خطوط پرپیچ اطلاق می‌شود) یک گیاه بومی آمریکای شمالی موسوم به سوردفرن (Swordfern) یا سرخس شمشیری با نام علمی Polystichum munitum به پیشرفت‌های قابل توجهی منتهی شد. مین گو یکی از اعضای تیم پژوهشی که به‌عنوان مهندس نانو فعالیت می‌کند در این باره چنین می‌گوید:

برگ‌ سوردفرن غربی به‌طور متراکمی از رگه‌هایی پر شده است که آن‌ را برای ذخیره‌سازی انرژی و جابجایی آب در نواحی گوناگون گیاه کارآمد می‌کند.

 الکترود ما بر پایه‌ی این اشکال فراکتال ساخته شده است؛ اشکالی که مانند ساختارهای کوچک در دانه‌های برف، همانندساز هستند و ما از این طرح کارآمد به‌طور طبیعی، برای بهبود ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی در سطح نانو استفاده کرده‌ایم.

 در تصویر زیر، سطح یک برگ سرخس شمشیری به میزان ۴۰۰ برابر بزرگ‌نمایی شده است و شما به‌وضوح می‌توانید الگوی خودتکثیرگری را ببینید که محققان در طراحی‌های خود به کار برده‌اند.

دانشمندان برای ایجاد یک الکترود رسانا، از لیزر برای دست‌کاری گرافن استفاده کرده‌اند. در اینجا باید اشاره کنیم که گرافن به نانوماده‌ی کربنی با ضخامت یک اتم اطلاق می‌شود که می‌تواند الکتریسیته را با شدت چشمگیری از خود عبور دهد.

 گو و تیم او با استفاده از یک طراحی مبتنی بر اشکال فراکتال در الکترود گرافن و ترکیب آن با ابرخازن‌های موجود، به ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی به میزان ۳۰ برابر ظرفیت‌های متداول رسیده‌اند.

 گفته‌ی فوق به این معنی است که اگر الکترودهای جدید با موفقیت به کار برده شوند، ما شاهد ساخته شدن سلول‌های خورشیدی مبتنی بر ابررساناهایی خواهیم بود که دارای ظرفیت ذخیره‌سازی به میزان ۳۰۰۰ درصد بیشتر از مقادیر فعلی هستند.

وی می‌افزاید:

ابرخازن‌های با ظرفیت افزایش‌یافته می‌توانند هم باعث افزایش قابلیت اطمینان در طولانی‌مدت شوند و هم اینکه امکان آزادسازی مقادیر زیاد از انرژی به‌صورت سریع و پشت‌سرهم را فراهم کند.

 گو معتقد است که چنین بهبودی می‌تواند ابرخازن‌های جدید را به جایگزینی ایده‌آل برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی تبدیل کند. این در حالی خواهد بود که شما قابلیت بهره‌برداری کارآمد و بازیابی مقدار مناسبی از توان به‌دست‌آمده از انرژی خورشیدی را حتی در یک روز ابری نیز در اختیار خواهید داشت.

 تاکنون، نخستین گروه از این الکترودها فقط به‌منزله‌ی اثباتی برای مفهوم رهیافت مبتنی بر اشکال فراکتال به شمار رفته است. اما محققان در حال حاضر در مورد کاربرد گسترده‌ای از تکنولوژی‌های جدید خود بسیار هیجان‌زده هستند. خانم لیتی تککارا، پژوهشگر سرپرست و دانشجوی دکترا در دانشگاه RMIT چنین می‌گوید:

هیجان‌انگیزترین حالت این است که از این الکترود به همراه یک سلول خورشیدی برای توسعه‌ی یک روش برداشت انرژی کلی و همچنین ارائه‌ی راه حلی برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده کنیم.

چنین امکانی در حال حاضر هم با استفاده از سلول‌های خورشیدی موجود از نوع نصب‌شده در پشت بام اغلب خانه‌ها وجود دارد؛ با این حال تککارا بر این باور است که این امر می‌تواند به‌طور ویژه برای ادغام الکترود جدید آن‌ها با سلول‌های خورشیدی نازک که در واقع نسل بعدی از فتوولتائیک‌های انعطاف‌پذیر خواهند بود، مفید باشد؛ این سلول‌ها تقریبا می‌توانند در هر جایی استفاده شوند.

وی ادامه می‌دهد:

سلول‌ خورشیدی اخیر می‌تواند تقریبا در هر جایی که شما می‌توانید تصور کنید، استفاده شود: از پنجره‌ی ساختمان تا پانل سقف خودروها و از تلفن‌های هوشمند تا ساعت‌های هوشمند. ما دیگر برای شارژ تلفن‌هایمان نیازی به باتری نخواهیم داشت؛ همچنین برای شارژ خودروهای هیبریدی نیازی به ایستگاه‌های شارژ نخواهد بود.

 در حال حاضر نیاز به تمرکز بیشتر بر انرژی خورشیدی انعطاف‌پذیر وجود دارد؛ به این ترتیب ما می‌توانیم با کارهای خود به‌سوی دیدگاه آینده‌مان برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی با اتکای کامل به انرژی خورشیدی گام برداریم.

نمونه اولیه‌ی این سلول خورشیدی در Scientific Reports تشریح شده است.