نیروگاههای خورشیدی از مهمترین ابزارهای کاهش انتشار کربن هستند، اما نه همهٔ اجزای آنها صددرصد پایدارند. سلولهای خورشیدی تنها بخش محدودی از طیف نور را—بخش مرئی و نزدیک به فروسرخ—به برق تبدیل میکنند و در عین حال به فیلترهای محافظ فرابنفش (UV) برای محافظت از لایههای حساس مانند لایههای پاسیوسازی و سیلیکون زیرین نیاز دارند. معمولاً این فیلترها از پلیمرهای مشتق از نفت مانند پلیوینیل فلوراید (PVF) و پلیاتیلن ترفتالات (PET) ساخته میشوند؛ مواد کارآمد اما مبتنی بر سوختهای فسیلی.
پژوهشهای اخیر دانشگاه تورکو و دانشگاه آلتو در فنلاند بههمراه دانشگاه واگنینگن هلند نشان میدهد که میتوان از مواد زیستی برای ساخت فیلترهای UV استفاده کرد و در برخی کاربردها بهخصوص حسگرهای کوچک و میکروحسگرها، مزایای زیستتجزیهپذیری قابلتوجهی بهدست آورد. یکی از یافتههای غیرمنتظره این مطالعه، کارایی بالای عصارهٔ پیاز قرمز در محافظت در برابر UV است—مادهای که شاید همین الآن در یخچال شما باشد.
جزئیات آزمایش و مواد مورد استفاده
در مقاله منتشرشده در ACS Applied Optical Materials، پژوهشگران فیلمی مبتنی بر نانوسلولز تولید کردند؛ نانوسلولز مادهای طبیعی است که معمولاً از باکتریها یا گیاهان استخراج میشود و یکی از فراوانترین پلیمرهای آلی روی زمین است. سپس این فیلمها با مواد زیستپایهٔ مختلف پوششدهی شد تا محافظت در برابر UV فراهم شود؛ از جمله لیگنین (مادهای طبیعی در گیاهان)، یونهای آهن و عصارهٔ پیاز قرمز. نتایج نشان داد که عصارهٔ پیاز قرمز عملکرد برتر داشت: محافظت در برابر پرتوهای فرابنفش تا 99.9٪ را فراهم کرد و حتی از فیلترهای PET تجاری نیز بهتر عمل نمود. علاوه بر این، پوشش حاوی عصارهٔ پیاز قرمز توانست عبور نور مفید را در بازهٔ 650 تا 1100 نانومتر تا حدود 80٪ حفظ کند؛ بازهای که برای تولید انرژی در بسیاری از سلولهای خورشیدی حیاتی است. پژوهشگران این عملکرد را در طول دورهٔ آزمایشی 1000 ساعته (معادل تقریبی یک سال تابش خورشید) بررسی کردند و پایایی عصارهٔ پیاز در طول زمان را معتبر یافتند.
چالشها و نکات فنی
ایجاد فیلتر مؤثر برای سلولهای خورشیدی دشوار است زیرا فیلتر باید هم حفاظت قوی در برابر UV فراهم کند و هم عبور نور در طولموجهای قابل استفاده برای تولید برق را محدود نکند. اگرچه یونهای آهن در ابتدا عملکرد مناسبی نشان دادند، اما در طول زمان سریعاً دگرگون شدند و کاراییشان کاهش یافت؛ نکتهای که اهمیت آزمایشهای بلندمدت روی فیلترهای UV را برجسته میکند. به گفتهٔ رستم نیزاموف، نویسندهٔ ارشد مطالعه در دانشگاه تورکو، «فیلمهای نانوسلولزی که با رنگ پیاز قرمز تیمار شوند، گزینهٔ امیدوارکنندهای در کاربردهایی هستند که مادهٔ محافظ باید زیستپایه باشد.» این یافته برای انواع دیگر سلولهای خورشیدی مانند پروسکایت و فوتوولتاییکهای آلی نیز اهمیت دارد.
پیامدها، کاربردها و افقهای آینده
استفاده از پوششهای زیستی و قابلتجزیه روی حسگرهای خورشیدی میتواند مزایای زیستمحیطی و اقتصادی قابلتوجهی داشته باشد، بهویژه در کاربردهای توزیعشده، حسگرهای یکبارمصرف یا دستگاههایی که بازیافت آنها امکانپذیر یا مقرونبهصرفه نیست. علاوه بر این، ترکیب نانوسلولز با رنگدانههای طبیعی مانند آنیتوکیا (pigments موجود در پیاز قرمز) میتواند الگوی جدیدی برای توسعهٔ فیلترهای سبز و ارزانقیمت ایجاد کند. اگرچه تحقیق هنوز در مقیاس آزمایشگاهی است، اما گسترش آن به تولید نیمهصنعتی و آزمون در شرایط محیطی واقعی قدمهای منطقی بعدی خواهند بود. پرسشهایی مانند دوام در معرض رطوبت و دما، پایداری طولانیمدت در میدان و هزینههای تولید باید پاسخ داده شوند تا این راهکارها به محصولات تجاری تبدیل شوند.
فناوریهای مرتبط
این رویکرد با دیگر مطالعات ترکیب مواد نانویی و زیستی برای کاربردهای فوتوولتاییک همراستا است؛ برای مثال تحقیقات روی پوششهای ضدانعکاس سبز، مواد محافظ زیستسازگار برای سلولهای پروسکایت و حسگرهای قابلانعطاف. ادغام این پیشرفتها میتواند منجر به پنلها و حسگرهای خورشیدی با ردپای کربنی کمتر و قابلیت بازیافت یا تجزیهٔ زیستی بیشتر شود.
نتیجه گیری
تحقیق اخیر نشان میدهد که ترکیب نانوسلولز با عصارهٔ پیاز قرمز میتواند جایگزینی زیستپایه و مؤثر برای فیلترهای مبتنی بر نفت در برخی کاربردهای خورشیدی باشد. این راهحل پتانسیل کاهش ردپای زیستمحیطی حسگرها و قطعات خورشیدی را دارد و نمایانگر جهتی نوین در طراحی مواد حفاظتکننده است. با ادامهٔ پژوهشهای بلندمدت و آزمونهای میدانی، ممکن است پیاز قرمز بخشی از مجموعهٔ فناوریهای سبز آینده شود که صنعت انرژی خورشیدی را سازگارتر با طبیعت میکند.