Entropi, güneş enerjisi için gelecek vaat eden malzemeleri geliştiriyor

Güneş enerjisi, temiz enerjinin geleceği açısından çok önemlidir. Tipik olarak güneş enerjisi, günlük elektronik cihazlarda kullanılan yarı iletken malzemenin aynısı olan silikon kullanılarak toplanır. Ancak silikon güneş panellerinin dezavantajları vardır: örneğin pahalıdırlar ve kavisli yüzeylere monte edilmeleri zordur.

Araştırmacılar bu tür dezavantajları çözmek için alternatif güneş enerjisi toplama malzemeleri geliştirdiler. Bu malzemelerin en umut verici olanları arasında, Dünya’da bol miktarda bulunan, karbon bazlı yarı iletkenler olan, daha ucuz ve daha çevre dostu olan “organik” yarı iletkenler yer alıyor.

University of fizik ve astronomi yardımcı doçenti Wai Lun Chan, “Bu, güneş paneli üretme maliyetini düşürebilir çünkü bu malzemeler, tıpkı bir duvarı boyamamız gibi, çözüme dayalı yöntemler kullanılarak rastgele yüzeylere boyanabilir” dedi. Kansas’ta. “Bu organik malzemeler, şeffaf güneş panelleri veya farklı renkteki paneller oluşturmak için kullanılabilen belirli dalga boylarındaki ışığı absorbe edecek şekilde ayarlanabilir. Bu özellikler, organik güneş panellerini özellikle yeni nesil yeşil ve sürdürülebilir binalarda kullanıma uygun hale getiriyor.”

Organik yarı iletkenler halihazırda cep telefonları, televizyonlar ve sanal gerçeklik kulaklıkları gibi tüketici elektroniği cihazlarının ekranlarında kullanılmasına rağmen, ticari güneş panellerinde henüz yaygın olarak kullanılmamaktadır. Organik güneş pillerinin dezavantajları arasında, %25 verimlilikle çalışan monokristalin silikondan yapılmış güneş pillerine kıyasla ışığı elektriğe dönüştürmedeki düşük verimleri vardır; bu oran yaklaşık %12’dir.

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

Ancak “fulleren olmayan reseptörler” olarak bilinen yeni bir organik yarı iletken sınıfının yakın zamanda geliştirilmesi bu paradigmayı değiştirdi. Fulleren olmayan yarı iletkenlerden yapılan organik güneş pilleri %20’ye yaklaşan verimliliklere ulaşabilmektedir.

Olağanüstü performanslarına rağmen, bu yeni organik yarı iletken sınıfının neden diğer organik yarı iletkenlerden bu kadar önemli ölçüde üstün olduğu bilim camiası için hala açık değil.

ortaya çıkan öncü bir çalışmada Gelişmiş malzemelerChan ve ekibi, yüksek lisans öğrencileri Kaushal Rigal (baş yazar), Fizik ve Astronomi Bölümü’nden Nino Fuller ve Fatima Rodini’nin de aralarında bulunduğu ve Kansas Üniversitesi’nde kimya profesörü Cindy Berry ile işbirliği içinde mikroskobik bir mekanizma keşfettiler. Bu, NFA’nın olağanüstü performansını kısmen çözüyor.

Bu keşfin anahtarı, baş yazar Regal tarafından zamanla çözümlenen iki fotonlu fotoemisyon spektroskopisi veya TR-TPPE adı verilen deneysel bir teknik kullanılarak yapılan ölçümlerdi. Bu yöntem, ekibin uyarılmış elektronların enerjisini pikosaniyeden (saniyenin trilyonda birinden daha az) daha düşük bir zaman çözünürlüğüyle izlemesine olanak sağladı.

“Bu ölçümlerde Kaushal [Rijal] Chan, “NFA’daki optik olarak uyarılmış elektronlardan bazılarının çevreye enerji kaybetmek yerine çevreden enerji alabildiğini fark ettik” dedi. “Bu gözlem mantık dışıdır çünkü uyarılmış elektronlar tipik olarak enerjilerini çevreye kaybederler, tıpkı bir fincan sıcak kahvenin ısısını çevreye kaybetmesi gibi.”

Çalışmaları Enerji Bakanlığı’nın Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından desteklenen ekip, bu olağandışı sürecin, elektronların kuantum davranışı sayesinde mikroskobik ölçekte meydana geldiğine inanıyor; bu, uyarılmış bir elektronun aynı anda birkaç molekül üzerinde görünmesine olanak tanıyor. Bu kuantum tuhaflığı, termodinamiğin ikinci yasasıyla birleştirilmiştir; bu yasa, her fiziksel sürecin, olağanüstü enerji kazanımı sağlamak için toplam entropide (genellikle “düzensizlik” olarak bilinir) bir artışa yol açacağını belirtir.

Rigal, “Çoğu durumda, sıcak bir nesne ısıyı soğuk çevresine aktarır çünkü ısı transferi toplam entropide artışa neden olur” diyor. “Ancak, belirli bir nanoyapıda düzenlenmiş organik moleküller için, toplam entropiyi artırmak için tipik ısı akışının yönünün tersine çevrildiğini bulduk. Bu ters çevrilmiş ısı akışı, nötr eksitonların çevreden ısı almasına ve bir çift pozitif ve negatif yüke ayrışmasına olanak tanıyor. Bu ücretsiz yükler de bir elektrik akımı üretebilir”.

Ekip, deneysel sonuçlarına dayanarak, entropi bazlı yük ayırma mekanizmasının, doymamış yağ asitlerinden yapılan organik güneş pillerinin çok daha iyi verim elde etmesine olanak sağladığını öne sürüyor.

Regal, “Temel yük ayırma mekanizmasının anlaşılması, araştırmacıların nano ölçekte ısı veya enerji akışını yönlendirmek için entropiden yararlanacak yeni nanoyapılar tasarlamasına olanak tanıyacak” dedi. “Entropi, fizik ve kimyada iyi bilinen bir kavram olmasına rağmen, enerji dönüşüm cihazlarının performansını artırmak için nadiren aktif olarak kullanılır.”

Ancak sadece bu da değil: Kansas Üniversitesi ekibi bu çalışmada keşfedilen mekanizmanın daha verimli güneş pilleri üretmek için kullanılabileceğine inanırken, aynı zamanda araştırmacıların güneş ışığını kullanan bir fotokimyasal süreç olan güneş yakıtı üretmek için daha verimli fotokatalizörler tasarlamalarına yardımcı olabileceğine de inanıyorlar. karbondioksiti organik yakıta dönüştürür.