همکاری سه دانشگاه ایران، کره جنوبی و آلمان منجر به طراحی ابرخازنی شد که تحت تابش نور، ظرفیت ذخیرهسازی خود را تا حد هفت برابر افزایش میدهد.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه اولسان کره جنوبی و دانشگاه مارتین لوتر آلمان، سامانهای نوین برای ذخیره مستقیم انرژی خورشیدی توسعه دادهاند که در آن نور نهتنها منبع انرژی، بلکه عامل افزایش ظرفیت ذخیرهسازی نیز هست.
این ابرخازن نوری با استفاده از ساختار ناهمپیوند p-n میان لانتانوم فریت و نانولولههای اکسیدی WO۳-TiO۲ طراحی شده و توانسته ظرفیت خود را تحت تابش نور تا هفت برابر افزایش دهد. همچنین نمونه نامتقارن ساختهشده به چگالی انرژی ۹٫۳۴ میلیواتساعت بر سانتیمتر مربع دست یافته که برای سامانههای ذخیرهساز کوچک و سریعشارژ، رقم قابلتوجهی است.
این فناوری میتواند راهکاری تازه برای ابزارهای الکترونیکی قابلحمل، حسگرهای خودتأمینانرژی و سامانههای خورشیدی هوشمند فراهم کند؛ زیرا جهان ظاهراً تصمیم گرفته همهچیز را هوشمند کند، حتی اگر خودش هنوز کاملاً مطمئن نباشد چگونه.
جهان امروز بیش از هر زمان دیگری به انرژی پاک نیاز دارد. تولید برق از خورشید رشد چشمگیری داشته، اما یک مشکل قدیمی همچنان پابرجاست: خورشید همیشه در دسترس نیست. شب میشود، ابر میآید، هوا بد میشود و انسان تازه یادش میافتد که ذخیرهسازی انرژی هم به اندازه تولید آن مهم است. به همین دلیل، توسعه سامانههایی که بتوانند همزمان نور را جذب و انرژی را ذخیره کنند، به یکی از موضوعات مهم پژوهشی تبدیل شده است.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه اولسان کره جنوبی و دانشگاه مارتین لوتر هاله-ویتنبرگ آلمان موفق به طراحی نوعی فوتوسوپرخازن یا ابرخازن نوری شدهاند که عملکرد آن زیر تابش نور بهطور محسوسی افزایش مییابد.
ابرخازنها ابزارهای ذخیره انرژی هستند که میتوانند بسیار سریع شارژ و تخلیه شوند، طول عمر بالایی دارند و برای کاربردهایی مانند خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و سامانههای هوشمند مناسباند. با این حال، چگالی انرژی آنها معمولاً از باتریها کمتر است. اگر بتوان نور خورشید را مستقیماً در عملکرد آنها دخیل کرد، نسل تازهای از ذخیرهسازهای انرژی پدید میآید.
پژوهش حاضر بر پایه استفاده از لانتانوم فریت (LaFeO۳) انجام شده است؛ مادهای از خانواده پروسکایتها که ویژگیهای نوری و الکتروشیمیایی مطلوبی دارد. این ترکیب بهعنوان الکترود فعال نوری در سامانه به کار گرفته شده است.
اما نقطه کلیدی پروژه، ساخت ناهمپیوند p-n میان LaFeO۳ و ساختار WO۳-TiO۲ بوده است. در این معماری، لانتانوم فریت بهعنوان نیمهرسانای نوع p و ترکیب WO۳-TiO۲ بهعنوان نیمهرسانای نوع n عمل میکند. چنین اتصالی به جداسازی بهتر حاملهای بار و کاهش بازترکیب الکترون و حفره کمک میکند؛ همان چیزی که هر سامانه نوری به آن نیاز دارد و معمولاً برای رسیدن به آن دردسر زیادی میکشد.
بخش نانویی این پژوهش در استفاده از نانولولههای WO۳-TiO۲ نهفته است. این نانولولهها سطح تماس بسیار بالا، مسیرهای منظم انتقال بار و جذب بهتر نور را فراهم میکنند. ترکیب آنها با LaFeO۳ ساختاری هیبریدی ساخته که هم نور را مؤثرتر جذب میکند و هم انتقال الکترون را سرعت میبخشد.
نتایج آزمایشها نشان داد الکترود بهینهشده در حضور نور به ظرفیت ۳٫۵ میلیآمپر ساعت بر سانتیمتر مربع دست یافته است. این مقدار تقریباً هفت برابر بیشتر از عملکرد همان سامانه در تاریکی بوده است. به زبان ساده، نور فقط کمک نکرده، بلکه عملاً سامانه را متحول کرده است.
پژوهشگران دو نوع دستگاه نیز طراحی کردند:
- ابرخازن متقارن با دو الکترود مشابه
- ابرخازن نامتقارن هیبریدی با آرایش LFO@WT//LFO@FTO
نمونه متقارن در حضور نور به ظرفیت ۰٫۰۶ میلیآمپر ساعت بر سانتیمتر مربع رسید، در حالی که نمونه نامتقارن عملکردی بسیار بهتر داشت و ظرفیت ۲٫۶۷ میلیآمپر ساعت بر سانتیمتر مربع را ثبت کرد. این اختلاف نشان میدهد طراحی معماری دستگاه به اندازه انتخاب ماده اهمیت دارد؛ درسی که کاش بسیاری از پروژههای انسانی هم یاد میگرفتند.
از نظر چگالی انرژی نیز نتایج قابلتوجه بود. نمونه نامتقارن توانست به ۹٫۳۴ میلیواتساعت بر سانتیمتر مربع در توان ۸۴٫۱ میلیوات بر سانتیمتر مربع دست یابد. این مقدار برای یک سامانه ابرخازنی نوری عددی چشمگیر محسوب میشود.
همچنین بیشینه چگالی توان این دستگاه ۲۱۵٫۸ میلیوات بر سانتیمتر مربع گزارش شد، در حالی که همچنان انرژی قابل قبولی را حفظ میکرد. این ویژگی اهمیت زیادی دارد، زیرا برخی کاربردها به تخلیه سریع انرژی نیاز دارند، مانند حسگرها، تجهیزات مخابراتی یا سامانههای الکترونیکی لحظهای.
پایداری چرخهای نیز از دیگر نقاط قوت این فناوری بود. دستگاه در شرایط نوری پس از ۴۰۰۰ چرخه نهتنها افت نکرد، بلکه ۳ درصد افزایش ظرفیت نشان داد. در تاریکی نیز پس از ۴۰۰۰ چرخه، ۸۹ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرد. چنین پایداریای برای سامانههای ذخیرهساز انرژی بسیار مهم است؛ زیرا وسیلهای که بعد از مدتی از نفس بیفتد، بیشتر شبیه انگیزههای اول سال نو است تا فناوری کاربردی.
علت این عملکرد مطلوب را میتوان در چند عامل جستوجو کرد:
- جذب مؤثر نور توسط ساختار فوتوالکترود
- جداسازی بهتر حاملهای بار در ناهمپیوند p-n
- انتقال سریع الکترون در نانولولهها
- سطح ویژه بالا برای واکنشهای الکتروشیمیایی
- پایداری ساختاری مناسب مواد پروسکایتی و اکسیدی
به نقل از نانو ایران، اهمیت این دستاورد فراتر از یک مقاله دانشگاهی است. فوتوسوپرخازنها میتوانند در آینده برای ابزارهای پوشیدنی، حسگرهای بیسیم، اینترنت اشیا، تجهیزات پزشکی قابلحمل و سامانههای خورشیدی کوچک استفاده شوند. در چنین کاربردهایی، حذف نیاز به باتریهای بزرگ یا شارژرهای جداگانه مزیتی مهم خواهد بود.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Light-Enhanced capacitive performance in LaFeO۳-Based photo-supercapacitors Employing p-n heterojunction Architecture به چاپ رسیده است.