باتری خورشیدی ارگانیک با عملکردی فراتر از انتظار

به گزارش گروه  دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان یک باتری خورشیدی کاملاً از مواد آلی طراحی کرده‌اند که می‌تواند نور خورشید را جذب کرده و انرژی را برای بیش از دو روز ذخیره کند، بنابراین عملکرد‌های یک سلول خورشیدی و یک باتری را در یک دستگاه سبک و بسیار کارآمد ترکیب می‌کند.

این تیم متشکل از محققانی از دانشگاه فنی مونیخ (TUM)، موسسه تحقیقات حالت جامد ماکس پلانک و دانشگاه اشتوتگارت در آلمان، باتری خورشیدی را بر اساس یک چارچوب آلی کووالانسی (COF) دو بعدی بسیار متخلخل ساخته شده از نفتالن دی ایمید، یک مولکول مسطح، مقاوم و دارای کمبود الکترون، توسعه دادند.

برخلاف سیستم‌های مرسوم که به فلزات یا عناصر کمیاب متکی هستند، این دستگاه نوآورانه فقط از اجزای آلی و آب استفاده می‌کند و یک راه‌حل پایدار برای ذخیره‌سازی انرژی خارج از شبکه ارائه می‌دهد.

طبق گزارش‌ها، این ماده به عنوان یک مخزن خورشیدی عمل می‌کند، انرژی را در طول روز جذب می‌کند و مدت‌ها پس از غروب آفتاب آن را به صورت الکتریسیته آزاد می‌کند. این اولین باری است که دانشمندان با موفقیت برداشت انرژی خورشیدی و ذخیره طولانی مدت انرژی را در یک چارچوب مولکولی واحد ترکیب کرده‌اند.

طبق گفته‌ی این تیم، COF نه تنها نور را جذب می‌کند، بلکه بار‌های القایی نوری را در محیط آبی تثبیت می‌کند و آنها را به مدت ۴۸ ساعت یا بیشتر نگه می‌دارد که رکوردی برای این دسته از مواد محسوب می‌شود. علاوه بر این، بار‌های ذخیره شده نه تنها حفظ می‌شوند، بلکه می‌توانند به طور فعال برای تأمین انرژی دستگاه‌های خارجی تخلیه شوند که قابلیت ذخیره انرژی در دنیای واقعی این ماده را تأیید می‌کند.

دکتر بیبوتی بهوسان راث، پژوهشگر پسادکترای نانوشیمی در موسسه ماکس پلانک برای تحقیقات حالت جامد و نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید: «این ماده عملکرد دوگانه‌ای دارد و هم به عنوان جاذب خورشیدی و هم به عنوان مخزن بار طولانی مدت عمل می‌کند. عملکرد آن از بسیاری از مواد اپتویونیک موجود فراتر می‌رود - و این کار را بدون تکیه بر فلزات یا عناصر کمیاب انجام می‌دهد.»

این تیم با ترکیب تکنیک‌های پیشرفته نوری، الکتروشیمیایی و محاسباتی، کشف کرد که آب نقشی غیرمنتظره، اما حیاتی در تثبیت بار‌های به دام افتاده ایفا می‌کند.

مولکول‌های آب به جای برهمکنش قوی با یون‌ها یا مختل کردن حفظ بار، به طور نامحسوس با ستون فقرات COF برهمکنش کردند تا یک مانع انرژی تشکیل دهند. این امر از نوترکیبی بار جلوگیری کرد و اجازه داد انرژی برای استفاده‌های بعدی حفظ شود.

این ماده ظرفیت ذخیره‌سازی بار ۳۸ میلی‌آمپر ساعت بر گرم (میلی‌آمپر ساعت بر گرم جرم) را نشان داد که از مواد حساس به نور مانند نیترید‌های کربن، نیمه‌رسانا‌های پلیمری و چارچوب‌های فلزی-آلی عملکرد بهتری دارد.

دستگاهی پایدار و در عین حال مقاوم

برای بررسی این مکانیسم، دکتر فرانک اورتمن، متخصص طیف‌سنجی نظری در دانشگاه فنی مونیخ و یکی از نویسندگان این مطالعه، شبیه‌سازی‌هایی را هدایت کرد که چگونگی تأثیر عوامل ساختاری و محیطی مختلف بر پایداری بار را بررسی می‌کرد.

اورتمن اظهار داشت: «زیبایی این سیستم در سادگی و استحکام آن نهفته است. این سیستم بار‌های القایی نور را در حالت پایدار ذخیره می‌کند که ناشی از تعامل منحصر‌به‌فرد طراحی مولکولی، معماری چارچوب و محیط است و آنها را در صورت نیاز آزاد می‌کند.»

آزمایش‌های بیشتر، پایداری عالی این ماده در چرخه‌های شارژ و دشارژ را تأیید کرد و بیش از ۹۰ درصد از ظرفیت خود را پس از چرخه‌های مکرر شارژ و دشارژ حفظ کرد که نشان‌دهنده‌ی یک پلتفرم جدید و قدرتمند برای باتری‌های خورشیدی است.

دکتر بتینا لوتش، متخصص نانوشیمی و رئیس موسسه تحقیقات حالت جامد ایکس پلانک، تأکید کرد که این یافته‌ها، پتانسیل بکر چارچوب‌های آلی را برای تنظیم دقیق جهت ذخیره‌سازی انرژی با کارایی بالا برجسته می‌کند.

لوتش در یک بیانیه مطبوعاتی نتیجه‌گیری کرد: «این گامی مهم به سوی راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی پایدار و مبتنی بر مواد و کاربرد‌های خارج از شبکه است.»

این مطالعه در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است.