اقتصاد دانش بنیان

چگونه نور خورشید تبدیل به یک منبع انرژی سوختی می‌شود؟

دست يافتن به منابع سوختي که از طريق انرژي‌هاي تجديدپذير به دست آمده باشد و با انجام عملکرد سوخت‌هاي شيميايي از مضرات و آسيب‌هاي آن‌ها برکنار باشد، از جمله اهداف اساسي است که محققان انرژي‌هاي پاک به دنبال دستيابي به آن هستند. نور و انرژي خورشيد به عنوان يک منبع سرشار از انرژي‌هاي پاک به شمار مي‌رود که توانايي تبديل شدن به منابع سوختي پاک را دارد و بر همين اساس نيز محققان امروزي در دست يافتن به اين انرژي و بهره‌برداري‌هاي بهينه از آن نهايت تلاش خود را مي‌کنند. در همين راستا نيز بايد به تحقيقاتي اشاره کرد که به منظور بهره‌برداري انرژي خورشيد و تبديل آن به منابع سوختي پاک انجام شده‌اند. به عنوان مثال محققان آزمايشگاه ملي انرژي‌هاي تجديدپذير امريکا (NREL) به منظور بهره‌برداري بهينه از انرژي خورشيدي و تبديل آن به سوخت بررسي‌هاي ارزشمندي انجام داده‌اند که نتيجه آن طراحي فتوالکترودهايي بوده است که در فرايند مذکور بسيار کارآمد هستند.

در اين فرايند از سطوح نيمه‌رسانايي استفاده مي‌شود که قادر به ايجاد يک ميدان الکتريکي و جذب نور خورشيد هستند. به بيان ديگر فتوالکترودهاي نيمه‌رسانا که در سلول‌هاي فتوالکتروشيميايي (PEC) استفاده مي‌شوند، مي‌توانند به صورت مستقيم انرژي خورشيد را به انرژي‌هاي ذخيره‌شده، همانند سوخت‌هاي شيميايي، تبديل کنند. در اين روش فرايندي رخ مي‌دهد که تحت عنوان photoconversion شناخته مي‌شود. در اين فرايند بارهاي الکتريکي که از طريق نقاط اتصال سطوح نيمه‌رسانا ايجاد مي‌شوند، مي‌توانند با استفاده از نور خورشيد، قابليت سوخت‌هاي شيميايي را داشته باشند. در واقع بايد گفت فرايند فتوکانورژن (photoconversion) فرايندي است که ذاتا در يک شرايط عدم تعادل اتفاق مي‌افتد و بنابراين بررسي دقيق اين شرايط کار چندان آساني نخواهد بود، اما با اين حال درک اين مکانيسم که چگونه در اين فرايند فوتون‌ها مي‌توانند به بارهاي حامل تبديل شوند و قابليت انجام کارهاي شيميايي را داشته باشند، نشان‌دهنده اين نکته است که يک عامل کليدي در بهينه‌سازي عملکرد فتوالکتروشيميايي (PEC) وجود دارد.

فرايند فتوکانورژن

همان‌گونه که گفته شد در فرايند جذب نور خورشيد و تبديل آن به انرژي سوختي، فرايندي موسوم به فتوکانورژن رخ مي‌دهد. در اين فرايند با ايجاد ميدان‌هاي الکتريکي و همچنين ايجاد يک نقطه اتصال بين سطح نيمه‌رسانا و ماده‌ اکسيدي، نور خورشيد جذب و ذخيره مي‌شود. در همين راستا نيز محققان NREL تحقيقاتي را به انجام رسانده‌اند که از طريق يک بررسي طيف‌سنجي بسيار سريع قادر به روشن ساختن فرايند فتوکانورژن است. بايد اذعان کرد فتوکانورژن فرايندي است که در نزديکي نقاط اتصال سطوح نيمه‌رسانا رخ مي‌دهد و در اين ميان ميدان‌هاي الکتريکي در چنين اتصالاتي به منظور پر کردن نقاط انفصال، اجزاي حياتي براي اجراي روند فرايند فتوکانورژن محسوب مي‌شوند. در فرايند مذکور آنچه مهم است، نقاط اتصال در سطوح نيمه‌رساناست و همچنين بارهاي الکتريکي که از طريق اين اتصال ايجاد مي‌شوند نيز در تکوين فرايند فوق بسيار مهم هستند.

با انجام اين بررسي محققان دريافتند که از طريق يک ميدان الکتريکي نوسان‌دار، نور سفيد خورشيد بازتاب داده مي‌شود. در واقع دانشمندان با بررسي فوق توانستند به نقش مهمي که يک رابط نيمه‌رسانا/ اکسيد در اين فرايند دارد، پي ببرند. اين نقطه اتصال که يک سطح نيمه‌رسانا و يک ماده اکسيد شده است، در آزمايش مذکور به طور خاص فسفيد گاليوم اينديوم (GaInP2)  و دي‌اکسيد تيتانيوم (TiO2) بوده است که در فرايند فتوکنوشن باعث تبديل نور خورشيد به انرژي ذخيره‌شده‌اي مي‌شود که در عين حال که خصوصيات سوخت‌هاي شيميايي را دارد، اما مضرات آن‌ها را ندارد و به عنوان يک منبع انرژي پاک به شمار مي‌رود. اين نقطه اتصال که به نام اتصال p-n ناميده مي‌شود، باعث ايجاد يک تعادل شيميايي مي‌شود و ميدان‌هاي الکتريکي داخلي را ايجاد مي‌کند. از طرفي نيز جذب نور توسط سطوح نيمه‌هادي، الکترون‌هاي پرانرژي‌اي را توليد مي‌کند که در نزديکي اين محل اتصال مدفون شده بودند. در نهايت نيز ميدان‌هاي الکتريکي سرعت انتقال الکترون‌ها را در سراسر اين نقطه اتصال بالا مي‌برند، به طوري که آن‌ها مي‌توانند در يک واکنش شيميايي که در سطح فتوالکترودها رخ مي‌دهد، شرکت کنند.

واکنش شيميايي که در اين فرايند رخ مي‌دهد، چيزي جداي از واکنش‌هاي شيميايي در سوخت‌هاي فسيلي است و در نتيجه باعث ايجاد يک منبع سوخت پاک و تجديدپذير مي‌شود که مستقيما از نور خورشيد گرفته شده است. جالب است بدانيد استفاده از فرايند فتوالکتروشيميايي نه‌تنها در تبديل نور خورشيد به منابع انرژي کارايي دارد، بلکه در تجزيه آب از طريق نور خورشيد و دست يافتن به منبع هيدروژن موجود در آب نيز مي‌تواند کارايي داشته باشد. بنابراين بايد گفت فرايند  PECاز جمله روش‌هاي نوين براي تبديل منابع انرژي تجديدپذير مانند خورشيد و آب، به انرژي‌هاي پاک محسوب مي‌شود که اخيرا در آزمايشگاه‌هاي تحقيقاتي توجه ويژه‌اي به آن‌ها مبذول شده و انتظار مي‌رود در سال‌‌هاي آينده نقش مهمي در سيستم‌هاي دانش‌بنيان جهان داشته باشند.w

منبع: مجله دانش بنیان