توسط : دانشمندان نوعی سلول خورشیدی گرافنی ساخته‌اند که با ترکیب گرافن چندلایه و ویفر سیلیکونی، توانایی برداشت هم‌زمان انرژی خورشیدی و جنبشی را دارد. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد این سلول‌ها می‌توانند به‌صورت خودکار ابرخازن‌های تعبیه‌شده در حسگرهای دما را شارژ کرده و به‌طور مداوم انرژی مورد نیاز آن‌ها را تأمین کنند.
به گزارش PV Magazine، پژوهشگران دانشگاه آرکانزاس در ایالات متحده موفق به ساخت سلول خورشیدی جدیدی بر پایه گرافن شده‌اند که می‌تواند برای کاربردهای اینترنت اشیا (IoT) مورد استفاده قرار گیرد. این سلول خورشیدی با ترکیب چندلایه‌ای گرافن و ویفرهای سیلیکونی ساخته شده و قادر است هم‌زمان از انرژی خورشیدی و جنبشی بهره‌برداری کند، تا عملکردی پایدار و مداوم داشته باشد.
در آزمایش‌ها مشخص شد این سلول‌ها می‌توانند به‌طور خودکار ابرخازن‌هایی را که درون حسگرهای دما تعبیه شده‌اند، تغذیه و شارژ کنند.
این فناوری در چارچوب پروژه‌ای تحقیقاتی توسعه یافته که هدف آن طراحی سیستم‌های حسگر مستقل است که انرژی خود را از منابع مختلف محیطی ازجمله نور خورشید، گرما، ارتعاشات صوتی، جنبشی، تابش‌های غیرخطی و محیطی تأمین می‌کنند.
استفاده از گرافن برای ساخت سلول خورشیدی
گرافن تاکنون به‌طور گسترده در پژوهش‌های مرتبط با انرژی خورشیدی برای توسعه الکترودهای شفاف، لایه‌های تماس، لایه‌های انتقال‌دهنده بار و همچنین پوشش‌های ضدبازتاب یا محافظ استفاده شده است.
این ماده یک شبه‌فلز با شکاف باند انرژی صفر (بندگپ صفر) است که در هر لایه تنها حدود ۲.۳ درصد از نور مرئی را جذب می‌کند؛ بنابراین به‌تنهایی قادر به جذب مؤثر انرژی خورشیدی نیست. بااین‌حال، ویژگی‌های الکترونیکی و نوری منحصربه‌فرد آن، رفتارهای فتوولتائیک جالبی ایجاد می‌کند که هنگام ترکیب با سایر مواد می‌تواند مورد بهره‌برداری قرار گیرد.
پژوهشگران توضیح دادند: «برای افزایش بازده تبدیل توان در این نوع سلول‌های خورشیدی، روش‌های متنوعی مورد بررسی قرار گرفته است؛ ازجمله بهینه‌سازی ضخامت لایه گرافن، اصلاح فرایند ادغام آن با زیرلایه سیلیکونی، افزودن مواد رابط اضافی، آلایش زیرلایه سیلیکون، استفاده از سطوح بافت‌دار سیلیکونی و به‌کارگیری نانوسیم‌های سیلیکونی.»
همچنین به گفته محققان، گرافن قادر به جذب انرژی جنبشی است و این ویژگی باعث می‌شود سلول‌های خورشیدی گرافنی حتی در نبود نور خورشید نیز کار کنند.
ساخت سلول خورشیدی گرافنی
برای ساخت این سلول، پژوهشگران از ویفرهای سیلیکونی نوع n با ضخامت ۵۰۰ میکرومتر که به‌صورت تجاری در دسترس هستند و یک لایه اکسید حرارتی ضخیم روی سطح خود دارند، استفاده کردند. لایه اکسید بالایی به‌صورت الگو‌دار روی سطح سیلیکون خالص حک شد و سپس الگوی دوم روی تراشه رسم و پس از آن لایه‌ای از فلز نشانده شد تا دو پَد اتصال طلا ایجاد شود. درنهایت، گرافن چندلایه روی سیلیکون و همچنین روی پد اتصال بالایی رسوب داده شد.
تیم تحقیقاتی توضیح داد: «به‌دلیل شفافیت گرافن، نور از آن عبور کرده و توسط زیرلایه سیلیکونی جذب می‌شود. سلول‌ها درون یک آرایه کوچک به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند. با انتخاب و اتصال سلول‌های خورشیدی مختلف به‌صورت سری، می‌توان خازن‌های ذخیره‌کننده را تا سطح ولتاژ مورد نیاز شارژ کرد.»
در سیستم حسگر دما، پژوهشگران به‌جای باتری از اَبَرخازن‌ها استفاده کردند تا مصرف کلی انرژی کاهش یافته و طول عمر عملکرد دستگاه افزایش یابد. در این ساختار، سه خازن ذخیره به نقش‌های عملکردی متفاوتی اختصاص داده شده‌اند.
آزمایش‌ها نشان دادند که این سیستم به‌صورت خودکار و بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی کار می‌کند. عملکرد این سیستم بر پایه یک پردازنده است که بیشتر اوقات در حالت آماده‌به‌کار (standby) قرار دارد و تنها در بازه‌های کوتاه‌مدت فعال می‌شود.
پژوهشگران تأکید کردند: «اَبَرخازن‌های ذخیره، به‌طور پیوسته سیستم حسگر دما را تغذیه می‌کنند؛ حتی در زمانی که به‌صورت متناوب توسط سلول‌های خورشیدی شارژ می‌شوند.»
پژوهشگران در پایان نتیجه‌گیری کردند: «این مقاله تأیید می‌کند که می‌توان با بهره‌گیری از انرژی خورشیدی مبتنی بر گرافن، یک حسگر دمای فوق‌کم‌مصرف طراحی و تولید کرد.»
جزئیات این پژوهش در مجله Journal of Vacuum Science & Technology B منتشر شده است.
بیشتر بخوانید: ساخت سلول خورشیدی سیلیکونی مبتنی بر نانولوله‌های کربنی با راندمان ۲۳ درصد
