- การวิจัยของมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดพบว่าวัสดุซัลไฟด์แอนติโมนีมสามารถลดการสูญเสียพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้อย่างมีนัยสำคัญ
- ซัลไฟด์แอนติโมนีมมีโครงสร้างพลังงานภายในที่ไม่ธรรมดา สามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้นาน
- วัสดุนี้ยังไม่ได้ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ แต่ได้ให้แนวทางในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ใหม่
- ซัลไฟด์แอนติโมนีมที่ไม่เป็นพิษสามารถแทนที่วัสดุที่เป็นพิษแบบดั้งเดิม มีข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อม
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดพบว่า วัสดุซัลไฟด์แอนติโมนีมสามารถเอาชนะข้อจำกัดหลักในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้ ปัญหานี้เกิดจากวัสดุที่ดูดซับแสงแดดได้ดีมักจะสูญเสียประจุไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ทำให้ไม่สามารถผลิตพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่นักวิจัยระบุมีโครงสร้างพลังงานภายในที่ไม่ธรรมดา คล้ายกับห้องรอชั่วคราว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันสามารถเก็บพลังงานที่จับได้ได้นานขึ้น และลดการสูญเสียประจุไฟฟ้าลงประมาณ 75% ที่อุณหภูมิห้อง ศาสตราจารย์ลอร่า เฮิร์ซ ผู้เขียนร่วมจากภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดกล่าวว่า "ในกระบวนการพัฒนาวัสดุพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูง ความท้าทายที่มีมายาวนานคือการทำให้เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความสามารถในการดูดซับแสงแดดได้ดีมักจะทำให้ประจุที่ผลิตขึ้นหายไปอย่างรวดเร็ว"
การวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่าการแลกเปลี่ยนนี้ไม่ใช่สิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
เทคโนโลยีสำคัญอยู่ที่การที่แผงเซลล์แสงอาทิตย์ผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยการจับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ประจุเหล่านี้กลับมารวมตัวกับช่องที่มีประจุบวกและสูญเสียในรูปของความร้อน วัสดุที่ออกแบบมาเพื่อดูดซับแสงแดดให้ได้มากที่สุดจะสร้างสภาพแวดล้อมที่แออัด ทำให้ประจุเหล่านี้เกิดการชนกันเกือบจะในทันที การรวมตัวกันอย่างรวดเร็วนี้สร้างอุปสรรคด้านประสิทธิภาพสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในการเก็บแสงทั่วไป เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซัลไฟด์แอนติโมนีมช่วยเปลี่ยนแปลงสถานการณ์นี้ ทีมงานจากมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีเทอร์ฮาร์ซที่รวดเร็ว ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้การปล่อยพัลส์เลเซอร์ที่ต่อเนื่องเป็นเวลาหลายไมโครวินาที เพื่อช่วยตรวจสอบฟิล์มของวัสดุนี้
คุณสมบัติการจัดเรียงควอนตัมของซัลไฟด์แอนติโมนีม
ผลลัพธ์ที่พวกเขาค้นพบทำให้พวกเขาประหลาดใจ ซัลไฟด์แอนติโมนีมมีการจัดเรียงควอนตัมที่หายาก เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์แบบกึ่งตรง แสงจะเข้าสู่ช่องทางพลังงานสูงหลักที่นี่ ซึ่งแสงแดดจะถูกดูดซับอย่างมาก ทันทีที่อยู่ใต้ทางเข้าดังกล่าวจะมีสถานะพลังงานต่ำกว่าที่ใช้ในการจับประจุที่ถูกกระตุ้น ในฐานะที่เป็นถังเก็บชั่วคราว สถานะพลังงานต่ำนี้จะเก็บประจุไว้อย่างปลอดภัยก่อนที่จะปล่อยออกมา เส้นทางพลังงานนี้ไม่ง่ายที่จะทำให้ประจุสูญเสีย ทำให้สามารถเก็บอิเล็กตรอนไว้อย่างปลอดภัยในที่เก็บจนกว่าจะถึงเวลาที่เหมาะสมในการเก็บรวบรวม ในอุณหภูมิห้อง ห้องรอไมโครนี้จะลดการสูญเสียประจุลง 75% เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุทั่วไป
ศาสตราจารย์เฮิร์ซเสริมว่า "การเปิดเผยโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ธรรมดาว่าจะรวมการดูดซับแสงที่เข้มข้นกับการรวมตัวที่ช้าลงได้อย่างไร เราได้กำหนดหลักการใหม่ในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งอาจช่วยให้เราสามารถเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น" ซัลไฟด์แอนติโมนีมที่ไม่เป็นพิษนี้ยังไม่ได้กลายเป็นแผงหลังคาที่สามารถใช้งานได้ในตลาด ทีมงานจากมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดชี้ให้เห็นว่าการวิจัยนี้พิสูจน์กลไกทางฟิสิกส์พื้นฐาน แทนที่จะเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตาม การรู้ว่ามี "ทางลัด" นี้เป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด นักวิจัยสามารถค้นหาฐานข้อมูลวัสดุเพื่อออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติ "ทางลัด" ที่คล้ายกันได้ในขณะนี้
ศักยภาพในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต
ศาสตราจารย์เฮิร์ซกล่าวว่า "สิ่งที่น่าตื่นเต้นเกี่ยวกับการค้นพบนี้คือ เราไม่เพียงแต่ปรับปรุงคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ แต่ยังได้กำหนดวิธีการใหม่ที่เซมิคอนดักเตอร์สามารถแสดงออกได้ การทำความเข้าใจกลไกนี้จะให้แนวทางในการค้นพบและวิศวกรรมวัสดุอื่น ๆ ที่มีคุณสมบัติที่คล้ายกันในอนาคต"
นี่ไม่เพียงแต่สามารถปลดล็อกแผงเซลล์แสงอาทิตย์ แต่ยังอาจทำให้การแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นเชื้อเพลิงเคมีมีประจุที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ซัลไฟด์แอนติโมนีมในฐานะวัสดุที่มีอยู่ในธรรมชาติและไม่เป็นพิษ มีข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมและการผลิต ซึ่งสามารถแทนที่วัสดุที่มีสารตะกั่วหรือแคดเมียม นักวิจัยสามารถใช้วิธีการที่มีต้นทุนต่ำ เช่น การประมวลผลด้วยสารละลาย การระเหยด้วยความร้อน และการตกตะกอนในอ่างเคมี เพื่อผลิตฟิล์มเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพ การวิจัยนี้เผยแพร่เมื่อวันที่ 28 ตุลาคมในวารสาร Nature
รายการ สเปค โปรเซสเซอร์ ซัลไฟด์แอนติโมนีม การลดการสูญเสียประจุ 75%
ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากวัสดุซัลไฟด์แอนติโมนีม
การค้นพบวัสดุซัลไฟด์แอนติโมนีมไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ แต่ยังอาจเปลี่ยนแปลงแนวคิดในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ วัสดุนี้มีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์ทำให้สามารถจับและเก็บประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดการสูญเสียพลังงาน เมื่อมีความเข้าใจในกลไกนี้อย่างลึกซึ้ง นักวิจัยสามารถสำรวจวัสดุอื่น ๆ ที่มีคุณสมบัติคล้ายกันได้ ซึ่งจะช่วยผลักดันความก้าวหน้าของเทคโนโลยีพลังงานทดแทน นอกจากนี้ คุณสมบัติด้านสิ่งแวดล้อมของซัลไฟด์แอนติโมนีมทำให้มันเป็นทางเลือกที่น่าสนใจในการส่งเสริมการพัฒนาอย่างยั่งยืน