Araştırmacılar, güneş enerjisi için umut vadeden malzemenin ilginç desteğinin entropiden kaynaklandığını gösteriyor

Baş yazar Kushal Rijal (sağda) ve Neno Fuller (solda), resimde gösterilen ultra yüksek vakumlu fotoemisyon spektroskopisi sistemini kullanarak TR-TPPE ölçümünü gerçekleştirdi. Kredi: Kushal ve Fuller

Güneş enerjisi temiz enerji geleceği için kritik öneme sahiptir. Geleneksel olarak güneş enerjisi, günlük elektronik cihazlarda kullanılan yarı iletken malzeme olan silikon kullanılarak toplanır. Ancak silikon güneş panellerinin dezavantajları vardır: örneğin, pahalıdırlar ve kavisli yüzeylere monte edilmeleri zordur.

Araştırmacılar alternatif malzemeler geliştirdiler Bu eksiklikleri gidermek için hasat. Bunlardan en umut verici olanlar arasında “organik” yarı iletkenler, Dünya’da bol miktarda bulunan, daha ucuz ve çevre dostu karbon bazlı yarı iletkenler yer alır.

“Potansiyel olarak üretim maliyetini düşürebilirler Kansas Üniversitesi’nde fizik ve astronomi alanında doçent olan Wai-Lun Chan, “Çünkü bu malzemeler, tıpkı bir duvarı boyadığımız gibi, çözelti tabanlı yöntemler kullanılarak keyfi yüzeylere kaplanabiliyor” dedi.

“Bu organik malzemeler, seçilen dalga boylarında ışığı emecek şekilde ayarlanabilir ve bu da şeffaf güneş panelleri veya farklı renklerde paneller oluşturmak için kullanılabilir. Bu özellikler, organik güneş panellerini özellikle yeni nesil yeşil ve sürdürülebilir binalarda kullanım için uygun hale getirir.”

Organik yarı iletkenler cep telefonları, televizyonlar ve sanal gerçeklik başlıkları gibi tüketici elektroniğinin ekran panellerinde zaten kullanılmış olsa da, ticari güneş panellerinde henüz yaygın olarak kullanılmamıştır. Düşük ışık-elektrik dönüşüm verimliliğine sahip olmaları, tek kristal silisyum güneş hücrelerinin %25 verimlilikle çalışmasına kıyasla yaklaşık %12’dir.

Chan’a göre, organik yarı iletkenlerdeki elektronlar genellikle “delikler” olarak bilinen pozitif karşılıklarına bağlanır. Bu şekilde, organik yarı iletkenler tarafından emilen ışık genellikle “eksitonlar” olarak bilinen elektriksel olarak nötr kuazi parçacıklar üretir.

Ancak fulleren olmayan alıcılar (NFA’lar) olarak bilinen yeni bir organik yarı iletken sınıfının son zamanlarda geliştirilmesi bu paradigmayı değiştirdi. NFA’larla yapılan organik güneş hücreleri %20 işaretine yakın bir verimliliğe ulaşabilir.

Olağanüstü performanslarına rağmen, bu yeni sınıf NFA’ların diğer organik yarı iletkenlerden neden önemli ölçüde daha üstün performans gösterdiği bilim camiası tarafından hala net olarak bilinmiyor.

Ortaya çıkan çığır açıcı bir çalışmada İleri MalzemelerChan ve aralarında lisansüstü öğrencileri Kushal Rijal (baş yazar), Fizik ve Astronomi bölümünden Neno Fuller ve Fatimah Rudayni’nin de bulunduğu ekibi ve KU’da kimya profesörü olan Cindy Berrie ile iş birliği yaparak, bir NFA tarafından elde edilen olağanüstü performansı kısmen çözen mikroskobik bir mekanizma keşfettiler.

Bu keşfin anahtarı, baş yazar Rijal’in “zamana bağlı iki foton fotoemisyon spektroskopisi” veya TR-TPPE olarak adlandırılan deneysel bir teknik kullanarak aldığı ölçümlerdi. Bu yöntem, ekibin uyarılmış elektronların enerjisini pikosaniyenin altında bir zaman çözünürlüğüyle (bir saniyenin trilyonda birinden daha az) izlemesine olanak sağladı.

“Bu ölçümlerde, Kushal (Rijal) NFA’daki optik olarak uyarılmış elektronların bazılarının çevreye enerji kaybetmek yerine çevreden enerji kazanabildiğini gözlemledi,” dedi Chan. “Bu gözlem sezgiye aykırıdır çünkü uyarılmış elektronlar tipik olarak enerjilerini çevreye, tıpkı bir fincan sıcak kahvenin ısısını çevreye kaybetmesi gibi, kaybederler.”

Ekip, bu alışılmadık sürecin, uyarılmış bir elektronun aynı anda birkaç molekülde görünmesine izin veren elektronların kuantum davranışı sayesinde mikroskobik ölçekte gerçekleştiğine inanıyor. Bu kuantum tuhaflığı, her toplam entropide bir artışa (genellikle “düzensizlik” olarak bilinir) yol açarak alışılmadık bir enerji kazanım süreci üretecektir.

“Çoğu durumda, sıcak bir nesne soğuk çevresine ısı aktarır çünkü toplam entropide bir artışa yol açar,” dedi Rijal. “Ancak belirli bir nanoölçekli yapıda düzenlenmiş organik moleküller için, toplam entropinin artması için ısı akışının tipik yönünün tersine döndüğünü bulduk. Bu tersine dönmüş ısı akışı, nötr eksitonların çevreden ısı almasını ve bir çift pozitif ve Bu serbest yükler de elektrik akımı üretebilir.”

Ekip, deneysel bulgularına dayanarak, entropi odaklı bu yük ayırma mekanizmasının, NFA’larla üretilen organik güneş hücrelerinin çok daha iyi bir verimliliğe ulaşmasını sağladığını öne sürüyor.

“Altta yatan yük ayırma mekanizmasını anlamak, araştırmacıların nanometre ölçeğinde ısı veya enerji akışını yönlendirmek için entropiden faydalanacak yeni nanoyapılar tasarlamalarına olanak tanıyacak,” dedi Rijal. “Entropi fizik ve kimyada iyi bilinen bir kavram olmasına rağmen, enerji dönüşüm cihazlarının performansını iyileştirmek için nadiren aktif olarak kullanılmıştır.”

Sadece bu değil: KU ekibi, bu çalışmada keşfedilen mekanizmanın daha verimli üretim yapmak için kullanılabileceğine inanıyor. Ayrıca araştırmacıların, karbondioksiti organik yakıtlara dönüştürmek için güneş ışığını kullanan bir fotokimyasal süreç olan güneş yakıtı üretimi için daha verimli fotokatalizörler tasarlamalarına yardımcı olabileceğini düşünüyorlar.

Daha fazla bilgi:
Kushal Rijal ve diğerleri, Endotermik Yük Ayrımı, Fulleren Olmayan Alıcı/Polimer Toplu Heterojonksiyonda Kendiliğinden Meydana Gelir, İleri Malzemeler (2024). DOI: 10.1002/adma.202400578

Tarafından sunulan
Kansas Üniversitesi


Alıntı: Güneş enerjisi için umut vadeden malzeme, araştırmacıların gösterdiğine göre ilginç desteğini entropiden alıyor (2024, 10 Temmuz) 10 Temmuz 2024’te https://techxplore.com/news/2024-07-material-solar-energy-curious-boost.html adresinden alındı

Bu belge telif hakkına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amacıyla herhangi bir adil kullanım dışında, yazılı izin olmaksızın hiçbir kısmı çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgilendirme amaçlı sağlanmıştır.



Kaynak