تحمل گرمای ۱۶۰ خورشید توسط نیمه‌رسانای خودترمیم‌شونده

یک نیمه هادی یا نیمه رسانای خود ترمیم شونده جدید قادر است نوری برابر با ۱۶۰ خورشید را برای تولید هیدروژن تحمل کند و دانشمندان می‌گویند این یک پیشرفت بزرگ است، چرا که تقریباً ۱۰ برابر کارآمدتر از آزمایش‌های قبلی شکافت آب خورشیدی است.

کد خبر: ۵۶۷۶۹۰

تاریخ: ۱۸ دی ۱۴۰۱ - ۱۵:۱۷

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از آی‌ای، نوع جدیدی از پنل‌های خورشیدی در تبدیل آب به هیدروژن و اکسیژن از طریق فرآیندی به نام فتوسنتز مصنوعی به ۹ درصد بازدهی دست یافته است.

طبق بیانیه مطبوعاتی پژوهشگران دانشگاه میشیگان، این یک پیشرفت بزرگ است، زیرا تقریباً ۱۰ برابر نسبت به آزمایش‌های قبلی شکافت آب خورشیدی کارآمدتر است.

شکافت آب(Water splitting) عبارتی کلی است که به کلیه واکنش‌های شیمیایی که منجر به تجزیه مولکول آب به دو عنصر تشکیل دهنده آن یعنی اکسیژن و هیدروژن می‌شود، اطلاق می‌شود.

زتیان می، استاد مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه میشیگان می‌گوید: ما معتقدیم که دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی در نهایت، بسیار کارآمدتر از فتوسنتز طبیعی خواهند بود که مسیری را به سمت خنثی‌سازی کربن فراهم می‌کند.

این گروه پژوهشی به رهبری زتیان می، توانست اندازه نیمه رسانا یا نیمه هادی را که معمولاً گران‌ترین قسمت دستگاه است، کوچک کند و یک نیمه هادی خودترمیم‌شونده ایجاد کرد که می‌تواند نور متمرکزی معادل ۱۶۰ خورشید را تحمل کند.

این فناوری پتانسیل کاهش قابل توجهی در هزینه تولید هیدروژن پایدار را دارد که برای بسیاری از فرآیندهای شیمیایی مورد نیاز است و می‌تواند به عنوان سوخت مستقل یا به عنوان یک جزء در سوخت‌های پایدار ساخته شده با کربن دی اکسید بازیافتی مورد استفاده قرار گیرد.

هیدروژن ارزان

نتیجه استثنایی این محصول، ایجاد دو تحول است. اولین مورد، ظرفیت تمرکز نور خورشید بدون آسیب رساندن به نیمه هادی مورد استفاده برای جذب آن است. تحول دوم نیز شامل شکافت آب با استفاده از انرژی طیف بالای نور خورشید و گرم کردن واکنش با استفاده از بخش طیف پایین‌تر آن است.

در بیانیه مطبوعاتی پژوهشگران این مطالعه ادعا شده است که یک کاتالیزور نیمه هادی که قدرتی جادویی را فراهم می‌کند، همزمان با استفاده بهتر می‌شود و در برابر فرسایشی که معمولاً هنگام استفاده از نور خورشید برای تحریک واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد، مقاومت می‌کند.

پنگ ژو نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: ما در مقایسه با برخی از نیمه هادی‌ها که فقط در شدت نور کم کار می‌کنند، اندازه آنها را بیش از ۱۰۰ برابر کاهش دادیم.

وی افزود: هیدروژن تولید شده توسط فناوری ما می‌تواند بسیار ارزان باشد. این نیمه هادی می‌تواند علاوه بر تحمل شدت نور بالا، در عین حال در دماهای بالا که برای تراشه‌های کامپیوتری مخرب است، زنده بماند.

گرمای بیشتر به جای تشکیل مجدد پیوندها و شکافت آب، هیدروژن و اکسیژن را از هم جدا می‌کند که فرآیند شکافت آب را سرعت می‌بخشد. این گروه پژوهشی توانست به دلیل این موارد، هیدروژن بیشتری تولید کند.

کاتالیزور

نانوساختارهای گالیوم ایندیم نیترید روی یک سطح سیلیکونی برای تشکیل کاتالیزور رشد داده شد. نور توسط نیمه هادی جذب می‌شود و به الکترون‌ها و حفره‌های آزاد تبدیل می‌شود که فضاهای بار مثبتی هستند که هنگام رها شدن الکترون‌ها توسط نور باقی می‌مانند.

گلوله‌های فلزی در مقیاس نانو که قطر آنها یک به دو هزارم میلی‌متر است در سراسر نانوساختارها پراکنده شده‌اند و از الکترون‌ها و حفره‌های موجود در محیط برای هدایت واکنش استفاده می‌کنند.

درجه حرارت روی ۷۵ درجه سانتیگراد یا ۱۶۷ درجه فارنهایت توسط یک لایه عایق مستقیم در بالای صفحه حفظ می‌شود. این دما به اندازه کافی گرم است که به پیشبرد واکنش کمک کند و در عین حال به اندازه کافی خنک است تا کاتالیزور نیمه هادی به طور موثر عمل کند.

اثربخشی تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت هیدروژن در آزمایش بیرونی که دما و نور خورشید کمتری داشت، ۶.۱ درصد بود. با این حال، بازدهی سیستم در خانه ۹ درصد بود.

این گروه پژوهشی قصد دارد به بهبود کارایی این فناوری ادامه دهد و هیدروژن با خلوص فوق العاده بالا تولید کند که می‌تواند مستقیماً در سلول‌های سوختی استفاده شود.

این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.