خاصیت جادویی گوجه‌فرنگی و کاربرد غیرمنتظره‌اش

یکی از معایب اصلی انرژی خورشیدی در راندمان متفاوت پنل‌های خورشیدی نهفته است. اصطلاحات "بازده پنل خورشیدی" و "بازده سلول خورشیدی" به میزان نور خورشیدی که هر فناوری فتوولتائیک می‌تواند به انرژی قابل استفاده تبدیل کند، اشاره دارد.

به طور معمول، راندمان سلول‌های خورشیدی بسته به مکان، آب و هوا و سایر شرایط طبیعی و نوع سیستم انرژی خورشیدی مورد استفاده از ۱۵ تا ۲۲ درصد متغیر است. هر چند در چند سال اخیر، پیشرفت‌های لازم در فناوری فتوولتائیک به افزایش رقم آن کمک کرده است.

در سال ۲۰۲۲، یکی از باورنکردنی‌ترین اکتشافات در این زمینه به تیمی از محققان چینی مربوط می‌شود که اخیرا دریافته‌اند لیکوپن(رنگدانه‌ای که گوجه فرنگی را قرمز می‌کند) می‌تواند کارایی سلول‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت(Perovskite solar cell) را از ۲۰.۵۷ درصد به ۲۳.۶۲ درصد افزایش دهد.

لیکوپن یک آنتی اکسیدان است که گوجه فرنگی را قرمز می‌کند اما از پوست آن در برابر اشعه فرابنفش نیز محافظت می‌کند. زمانی که لیکوپن روی پنل‌های خورشیدی پروسکایت اعمال می‌شود، می‌تواند آنها را از تخریب ناشی از اشعه فرا بنفش محافظت کند و دوام آنها را افزایش دهد. این رنگدانه همچنین جریان الکتریکی را در صفحات خورشیدی پروسکایت بهبود می‌بخشد.

چگونه کارایی پنل خورشیدی را بهبود بخشیم؟

لیکوپن یک آنتی اکسیدان طبیعی است. به این ترتیب، اکسیداسیون(واکنش شیمیایی مسئول رادیکال‌های آزاد) را مهار می‌کند. رادیکال‌های آزاد یون‌ها، اتم‌ها یا مولکول‌هایی هستند که تعداد الکترون‌های آنها یکنواخت نیست. این آنها را ناپایدار می‌کند و می‌توانند واکنش‌هایی را فعال کنند که دی.ان.ای را تغییر می‌دهد و باعث آسیب سلولی در موجودات زنده می‌شود.

لیکوپن به رادیکال‌های آزاد تولید شده توسط تابش فرابنفش خورشید متصل می‌شود و آنها را پایدارتر می‌کند. به این ترتیب، این رنگدانه با کاهش آسیب سلولی در بافت پوست، از گوجه فرنگی و سایر میوه‌های قرمز در برابر اشعه فرا بنفش محافظت می‌کند.

با دانستن این موضوع، محققان چینی این فرضیه را مطرح کردند که لیکوپن می‌تواند میزان تخریب پنل‌های خورشیدی پروسکایت تولید شده توسط اشعه فرابنفش را کاهش داده و دوام آنها را افزایش دهد.

پس از آزمایش‌ها، آن‌ها دریافتند که لیکوپن مرزهای دانه را غیرفعال می‌کند(رابط بین دو دانه یا کریستالیت‌ها در مواد پلی‌کریستالی)، بلورینگی و شفافیت را بهبود می‌بخشد و تراکم تله‌های الکترونی که در مجموع باعث افزایش جریان الکتریکی در پنل‌های خورشیدی می‌شود را کاهش می‌دهد و بنابراین کارایی آنها نیز افزایش می‌یابد.

با این حال، این اولین بار نیست که دانشمندان موفق به بهبود کارایی صفحات خورشیدی پروسکایت می‌شوند. در آوریل ۲۰۲۱، گروهی از دانشگاه سیتی هنگ کنگ، "فروسن" (ferrocenes) یک ترکیب آلی فلزی مبتنی بر آهن را که برای اولین بار در سال ۱۹۵۱ در دانشگاه دوکسن تهیه شد، به سلول‌های خورشیدی پروسکایت اضافه کردند و کارایی آنها را تا ۲۵ درصد افزایش دادند و در عین حال تست پایداری تعیین شده توسط کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی سلول‌های خورشیدی را نیز گذراندند.

در سپتامبر همان سال، محققان هلندی یک دستگاه چهار پین پروسکایت-سیلیکون پشت سر هم ساختند که از مخلوط سلول‌های خورشیدی سیلیکونی با سلول‌های خورشیدی پروسکایت برای استخراج انرژی از نور مرئی و طیف مادون قرمز(از طریق سلول‌های خورشیدی سیلیکونی) به علاوه طیف فرابنفش(از طریق سلول‌های خورشیدی پروسکایت) استفاده می‌کرد. این دستگاه به نرخ بازدهی ۳۰.۱ درصد دست یافت.

در مورد پنل‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون، یکی از راه‌های بهبود کارایی آنها، افزودن لایه‌های نازک پروسکایت یا سایر مواد جاذب نور(مانند اکسید سیلیکون) است. راه دیگر قرار دادن بازتابنده‌های آینه در زوایای خاص در نزدیکی صفحات خورشیدی است تا به آنها کمک کند نور خورشید بیشتری را جذب کنند.

علاوه بر این، عدسی‌های فرنل(Fresnel lenses) می‌توانند به عنوان متمرکز کننده‌های خورشیدی برای ساخت پنل‌های خورشیدی استفاده شوند که به معنای واقعی کلمه نور خورشید دریافتی را روی سلول‌های خورشیدی خود متمرکز می‌کنند.

عدسی فرسنل(Fersnel Lens) نوعی عدسی است که در اصل توسط یک فیزیکدان فرانسوی به نام آگوستن-ژان فرسنل برای فانوس‌های دریایی ساخته شد. طراحی آن به گونه‌ای است که امکان تولید لنزهایی با دهانه بزرگ و فاصله کانونی کوچک را فراهم می‌کند، بدون اینکه نیازی به جرم و حجمی از ماده که در لنزهای سنتی استفاده می‌شود باشد. در مقایسه با لنزهای سنتی حجیم، عدسی فرسنل بسیار نازک‌تر، بزرگ‌تر و مسطح‌تر است و نور مایل بیشتری را از منبع جذب می‌کند؛ بنابراین این امکان را فراهم می‌آورد که فانوس‌های دریایی از فاصله‌های بسیار دور رویت‌پذیر باشند.