این خانواده از ترکیبات کریستالی در خط مقدم تحقیقات به دنبال جایگزینی برای سیلیکون هستند.

پتانسیل پروسکایت ها در جایگزینی سیلیکون

پروسکایت ها پتانسیل بالایی برای استفاده در پنل های خورشیدی را دارند که می توانند به راحتی بر روی اکثر سطوح، از جمله سطوح انعطاف پذیر و بافت، به کار گرفته شوند. همچنین تولید این مواد ارزان و سبک وزن، به اندازه مواد مورد استفاده در پنل های فتوولتائیک امروزی، که عمدتاً سیلیکون هستند، کارآمد خواهند بود. با توجه به پتانسیل عظیم آنها، آنها موضوع تحقیق و سرمایه گذاری فزاینده ای هستند. با این حال، شرکت هایی که به دنبال بهره برداری از پتانسیل خود هستند، قبل از اینکه سلول های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت بتوانند از نظر تجاری رقابتی شوند، باید موانع مهمی را برطرف کنند.

سیلیکون و تلورید کادمیوم، دو ماده پر استفاده دیگر در حوزه فتوولتائیک، به یک نوع ماده خاص اشاره دارند، ولی اصطلاح پروسکایت به یک خانواده کامل از ترکیبات اشاره دارد. خانواده پروسکایت از مواد خورشیدی به دلیل شباهت ساختاری آن با ماده معدنی به نام پروسکایت نامگذاری شده است که در سال 1839 کشف شد و به نام L.A. Proovski، کانی شناس روسی نامگذاری شد.

ساختار پروسکایت ها چگونه تشکیل شده است؟

اکسید تیتانیوم کلسیم (CaTiO3)، پروسکایت معدنی اصلی، دارای یک پیکربندی کریستالی متمایز است. این یک ساختار سه قسمتی دارد که اجزای آن با برچسب های A، B و X شناخته می شوند، که در آن شبکه های اجزای مختلف در هم آمیخته شده اند. خانواده پروسکایت‌ها از ترکیب‌های احتمالی زیادی از عناصر یا مولکول‌ها تشکیل شده است که می‌توانند هر یک از سه جزء را اشغال کنند و ساختاری شبیه به خود پروسکایت اصلی تشکیل دهند. (بعضی از دانشمندان حتی با نامگذاری ساختارهای کریستالی دیگر با عناصر مشابه پروسکایت قوانین را کمی تغییر می دهند، اگرچه این امر توسط کریستالوگراف ها مورد مخالفت قرار می گیرد.)

می‌توانید اتم‌ها و مولکول‌ها را با برخی محدودیت‌ها با ساختار ترکیب و مطابقت دهید. به عنوان مثال، اگر بخواهید یک مولکول بسیار بزرگ را در ساختار قرار دهید، آن را مخدوش خواهید کرد. تونیو بوناسیسی، استاد مهندسی مکانیک در MIT و مدیر آزمایشگاه تحقیقاتی فتوولتائیک، می‌گوید در نهایت، ممکن است باعث جدا شدن کریستال سه‌بعدی به ساختار لایه‌ای دوبعدی یا از دست دادن ساختار منظم آن شوید. او می‌گوید: پروسکایت‌ها مانند ساختار کریستالی ماجراجویانه‌ای بسیار قابل تنظیم هستند.

این ساختار شبکه های در هم تنیده از یون ها یا مولکول های باردار تشکیل شده است که دو تای آنها (A و B) بار مثبت دارند و دیگری (X) بار منفی دارند. به طور معمول، یون‌های A و B اندازه‌های کاملاً متفاوتی دارند و یون های A بزرگ‌تر هستند.

در دسته کلی پروسکایت ها، انواع مختلفی از جمله پروسکایت های اکسید فلزی وجود دارد که کاربردهایی در کاتالیزور و ذخیره و تبدیل انرژی مانند سلول های سوختی و باتری های فلزی-هوا پیدا کرده اند. به گفته بوناسیسی، اما تمرکز اصلی فعالیت های تحقیقاتی برای بیش از یک دهه بر روی پروسکایت هالید سرب بوده است.

در این دسته، هنوز گستره‌ای از امکانات وجود دارد، و آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان در تلاش برای یافتن تغییراتی هستند که بهترین عملکرد را در کارایی، هزینه و پایداری نشان می‌دهند – که تا کنون چالش‌برانگیزترین بوده است.

بسیاری از تیم‌ها نیز بر روی تغییراتی تمرکز کرده‌اند که استفاده از سرب را حذف می‌کنند تا از تأثیرات زیست‌محیطی آن جلوگیری کنند. با این حال، بووناسیسی خاطرنشان می‌کند که «به طور مداوم در طول زمان، دستگاه‌های مبتنی بر سرب همچنان در عملکرد خود بهبود می‌یابند و هیچ یک از ترکیب‌های دیگر از نظر عملکرد الکترونیکی به یکدیگر نزدیک نشده‌اند». کار بر روی کاوش جایگزین ها ادامه دارد، اما در حال حاضر، هیچ کدام نمی توانند با نسخه های هالید سرب رقابت کنند.

به گفته بوناسیسی، یکی از مزایای بزرگ پروسکایت ها تحمل زیاد آنها در برابر نقص در ساختار است. بر خلاف سیلیکون که برای عملکرد خوب در دستگاه های الکترونیکی به خلوص بسیار بالایی نیاز دارد، پروسکایت ها حتی با عیوب و ناخالصی های متعدد می توانند به خوبی عمل کنند.

پایداری پروسکایت ها : چالش دانشمندان!

جستجو برای ترکیب‌های جدید امیدوارکننده برای پروسکایت‌ها کمی شبیه به جستجوی سوزن در انبار کاه است، اما اخیراً محققان یک سیستم یادگیری ماشینی ارائه کرده‌اند که می‌تواند این فرآیند را تا حد زیادی ساده‌سازی کند. بوناسیسی، که یکی از نویسندگان آن تحقیق بود، می‌گوید: این رویکرد جدید می‌تواند به توسعه بسیار سریع‌تر جایگزین‌های جدید منجر شود.

در حالی که پروسکایت ها همچنان امیدوار کننده هستند و چندین شرکت در حال آماده شدن برای شروع تولید تجاری هستند، پایداری آن بزرگترین مانعی است که آنها با آن روبرو هستند. در حالی که پانل های خورشیدی سیلیکونی تا 90 درصد توان خروجی خود را پس از 25 سال حفظ می کنند، پروسکایت ها بسیار سریع تر تخریب می شوند اما تاکنون پیشرفت بزرگی حاصل شده است: نمونه‌های اولیه فقط چند ساعت دوام آوردند، سپس هفته‌ها یا ماه‌ها دوام آوردند، اما فرمول‌های جدیدتر طول عمر قابل استفاده‌ را تا چند سال افزایش داده است.

بوناسیسی می‌گوید از دیدگاه تحقیقاتی، یکی از مزیت‌های پروسکایت‌ها این است که ساخت آنها در آزمایشگاه نسبتاً آسان است – ترکیبات شیمیایی به راحتی جمع می‌شوند. اما این نیز نقطه ضعف آنهاست: این مواد به راحتی در دمای به هم می‌پیوندند اما،در همین شرایط نیز به راحتی از هم جدا می شوند. آسان بیا، آسان برو!

برای مقابله با این موضوع، اکثر محققان بر استفاده از انواع مختلفی از مواد محافظ برای محصور کردن پروسکایت متمرکز شده‌اند و از آن در برابر قرار گرفتن در معرض هوا و رطوبت محافظت می‌کنند. اما دیگران در حال مطالعه مکانیسم‌های دقیقی هستند که منجر به این تخریب می‌شود، به امید یافتن فرمول‌ها یا درمان‌هایی که ذاتاً قوی‌تر هستند. یک یافته کلیدی این است که فرآیندی به نام اتوکاتالیز (autocatalysis) تا حد زیادی باعث این خرابی است.

در اتوکاتالیز، به محض اینکه یک قسمت از ماده شروع به تجزیه می کند، محصولات واکنش آن به عنوان کاتالیزور عمل می کنند تا قسمت های مجاور سازه را تجزیه کنند و یک واکنش فرار شروع می شود. مشکل مشابهی در تحقیقات اولیه روی برخی مواد الکترونیکی دیگر مانند دیودهای ساطع کننده نور آلی (OLED) وجود داشت و در نهایت با افزودن مراحل تصفیه اضافی به مواد خام حل شد.

آخرین نتایج تحقیقات بر روی پروسکایت ها

بووناسیسی و همکارانش اخیراً مطالعه‌ای را تکمیل کردند که نشان می‌دهد زمانی که پروسکایت‌ها به طول عمر قابل استفاده حداقل یک دهه می‌رسند، به لطف هزینه اولیه بسیار پایین‌تر آن‌ها، که می‌تواند از نظر اقتصادی به عنوان جایگزینی برای سیلیکون در مزارع خورشیدی بزرگ، مقرون به صرفه باشد.

او می گوید که به طور کلی، پیشرفت در توسعه پروسکایت ها چشمگیر و دلگرم کننده بوده است. او می‌گوید که تنها با چند سال کار، کارایی‌های قابل مقایسه با سطوحی از کادمیوم تلورید (CdTe) را به دست آورده است، «که برای مدت طولانی‌تری وجود داشته، هنوز در تلاش برای رسیدن به آن است». سهولت دستیابی به این عملکردهای بالاتر در این ماده جدید تقریباً حیرت‌انگیز است. او می‌گوید با مقایسه میزان زمان تحقیقاتی صرف شده برای دستیابی به بهبود 1 درصدی در کارایی، پیشرفت پروسکایت‌ها بین 100 تا 1000 برابر سریع‌تر از CdTe بوده است. او می گوید: «این یکی از دلایل هیجان انگیز بودن آن است.

منبع : Scitechdaily

این تجزیه که در بالا ذکر شد، در یک محیط بی‌هوازی اتفاق می‌افتد، بنابراین فرآیندی که منجر به تولید زیست گاز می‌شود به عنوان تجزیه بی‌هوازی نیز شناخته می‌شود(شکل طبیعی تبدیل زباله به انرژی که از فرآیند تخمیر برای تجزیه مواد آلی استفاده می‌کند). کود حیوانی، ضایعات غذا، فاضلاب و زباله نمونه هایی از مواد آلی هستند که می توانند زیست گاز را از طریق تجزیه بی هوازی تولید کنند. به دلیل محتوای متان بالا (معمولاً 50-75٪)، زیست گاز قابل اشتعال است و بنابراین شعله آبی تیره تولید می کند و می تواند به عنوان منبع انرژی استفاده شود.

زیست گاز چیست و چگونه کار می کند؟

زیست گاز ترکیبی از متان، دی اکسید کربن و مقادیر کمی از گازهای دیگر است. این ترکیب را می توان با موفقیت به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر استفاده کرد. زیست گاز محصول جانبی هضم بی هوازی از زیست توده (مواد آلی) است.

از آنجایی که تولید زیست گاز ناشی از یک فرآیند طبیعی است که در یک محیط بسته اتفاق می افتد، کنترل ترکیب آن می تواند چالش برانگیز باشد. به همین دلیل است که نسبت متان به دی اکسید کربن می تواند متفاوت باشد. رایج ترین نسبت 60٪ CH4 (متان) و 40٪ CO2 (دی اکسید کربن) است، اما می توانید انتظار داشته باشید که زیست گاز حاوی متان به نسبت 45 تا 75٪ و دی اکسید کربن از 55 تا 25٪ باشد.

مزایا و معایب زیست گاز چیست ؟

تولید و استفاده از زیست گاز مانند سایر منابع انرژی دارای مزایا و معایبی است. شما باید این جنبه های عملی را هنگام تجزیه و تحلیل اینکه آیا در یک نیروگاه زیست گاز سرمایه گذاری کنید، به دقت در نظر بگیرید.

مزایای زیست گاز

1. این یک منبع انرژی تجدید پذیر و پاک است که متکی بر فرآیند کربن خنثی است، به این معنی که هنگام استفاده از زیست گاز، هیچ مقدار جدیدی از کربن در جو منتشر نمی شود.

2. به انحراف ضایعات مواد غذایی از محل های دفن زباله کمک می کند و تأثیر مثبتی بر محیط زیست و اقتصاد دارد.

3. آلودگی خاک و آب ناشی از کود حیوانی و مدفوع انسان را کاهش می دهد و محیط سالم و ایمن را برای بسیاری از جوامع در سراسر جهان حفظ می کند.

4. مقدار CH4 (متان) منتشر شده به اتمسفر را کاهش می دهد و با تغییرات آب و هوایی با تأثیر فوری احتمالی بر محیط مقابله می کند.

معایب زیست گاز

1. تولید زیست گاز به یک فرآیند بیولوژیکی بستگی دارد، بنابراین نمی توان آن را به طور کامل کنترل کرد.

2. در آب و هوای گرم بهتر عمل می کند، به این معنی که زیست گاز به طور یکسان در سراسر جهان قابل دسترسی نیست.

تجزیه زیست گاز

به جای اجازه انتشار گاز متان به اتمسفر، هاضم‌های زیست گاز سیستم‌هایی هستند که زباله‌ها را به زیست گاز تجزیه می‌کنند و سپس آن زیست گاز را به گونه‌ای هدایت می‌کنند که انرژی بتواند به طور مولد استفاده شود. انواع مختلفی از سیستم‌ها و نیروگاه‌های زیست گاز وجود دارد که برای استفاده مؤثر از زیست گاز طراحی شده‌اند. در حالی که هر مدل بسته به ورودی، خروجی، اندازه و نوع متفاوت است، فرآیند بیولوژیکی که زباله های آلی را به زیست گاز تبدیل می کند یکنواخت است.

هاضم‌های زیست گاز سیستم‌هایی هستند که ضایعات را به زیست گاز پردازش می‌کنند و سپس آن زیست گاز را به‌گونه‌ای هدایت می‌کنند که انرژی می‌تواند به طور مولد استفاده شود.

انواع مختلفی از سیستم‌ها و نیروگاه‌های زیست گاز وجود دارد که برای استفاده مؤثر از زیست گاز طراحی شده‌اند. در حالی که هر مدل بسته به ورودی، خروجی، اندازه و نوع متفاوت است، فرآیند بیولوژیکی که زباله های آلی را به زیست گاز تبدیل می کند یکنواخت است. تجزیه گران زیست گاز مواد آلی را دریافت می کنند که در یک محفظه هضم تجزیه می شود. محفظه تجزیه به طور کامل در آب غوطه ور است و آن را به یک محیط بی هوازی (بدون اکسیژن) تبدیل می کند. محیط بی هوازی به میکروارگانیسم ها اجازه می دهد تا مواد آلی را تجزیه کرده و به زیست گاز تبدیل کنند.

4 مرحله تخمیر و تولید زیست گاز

مواد آلی با کمک جوامع باکتریایی برای تولید زیست گاز تخمیر می شوند. چهار مرحله تخمیر مواد آلی را از ترکیب اولیه به حالت زیست گاز منتقل می کند.

1. مرحله اول فرآیند هضم، مرحله هیدرولیز است. در مرحله هیدرولیز، پلیمرهای آلی نامحلول (مانند کربوهیدرات ها) تجزیه می شوند و آنها را برای مرحله بعدی باکتری ها به نام باکتری اسید زا قابل دسترسی می کند.

2. باکتری اسید زا قندها و اسیدهای آمینه را به دی اکسید کربن، هیدروژن، آمونیاک و اسیدهای آلی تبدیل می کند.

3. در مرحله سوم، باکتری های استوژن، اسیدهای آلی را به اسید استیک، هیدروژن، آمونیاک و دی اکسید کربن تبدیل می کنند. این فرآیند مرحله نهایی را با کمک متانوژن ها ممکن می سازد.

4. متانوژن ها این اجزای نهایی را به متان و دی اکسید کربن تبدیل می کنند که می تواند به عنوان انرژی قابل اشتعال و سبز استفاده شود.

تاریخچه زیست گاز یا بیوگاز

این فرآیند بی‌هوازی تجزیه (یا تخمیر) مواد آلی که در اطراف ما در طبیعت اتفاق می‌افتد و برای مدت طولانی در حال وقوع است. باکتری هایی که مواد آلی را به بیوگاز تجزیه می کنند برخی از قدیمی ترین موجودات چند سلولی روی این سیاره هستند. البته استفاده انسان از بیوگاز به آن دور باز نمی گردد. شواهد حکایتی، اولین استفاده از بیوگاز را به آشوری ها و ایرانیان در قرن های 10 و 16 نشان می دهد. اخیراً، قرن بیستم تجدید حیات سیستم‌های بیوگاز صنعتی و کوچک را به همراه داشته است.

در قرن 18 برای شیمیدان فلاندری یان باپتیس ون هلمونت مشخص شد که تجزیه مواد آلی، گاز قابل احتراق تولید می کند. اندکی بعد، جان دالتون و همفری دیوی توضیح دادند که این گاز قابل اشتعال متان است. اولین کارخانه مهم هضم بی هوازی به سال 1859 در بمبئی باز می گردد. در سال 1898، انگلستان از هضم بی هوازی برای تبدیل فاضلاب به بیوگاز و سپس برای روشن کردن لامپ های خیابان استفاده کرد. در قرن بعد، هضم بی هوازی در درجه اول به عنوان وسیله ای برای تصفیه فاضلاب شهری مورد استفاده قرار گرفت. هنگامی که قیمت سوخت های فسیلی در دهه 1970 افزایش یافت، کارخانه های هضم بی هوازی صنعتی محبوبیت و کارایی خود را افزایش دادند.

هم هند و هم چین شروع به توسعه دستگاه تجزیه بیوگاز در مقیاس کوچک برای کشاورزان در حدود دهه 1960 کردند. هدف کاهش فقر انرژی در مناطق روستایی و قابل دسترس تر کردن سوخت های آشپزی پاک تر در مناطق دور افتاده بود. نزدیک به یک سوم جمعیت جهان هنوز از هیزم و سایر زیست‌توده‌ها برای انرژی استفاده می‌کنند که باعث مشکلات مخرب بهداشتی و زیست‌محیطی می‌شود.

در هند، مدل محبوب، هاضم درام شناور است، و مدل ترجیحی زیست گاز چین، هاضم گنبدی ثابت است.

از آن زمان، واحدهای بیوگاز در اندازه خانواده به عنوان وسیله ای برای کاهش زباله های خانگی و ارائه انرژی پاک و تجدیدپذیر برای خانواده ها در سراسر جهان مورد توجه و محبوبیت بیشتری قرار گرفته اند. در 15 سال گذشته، کشورهای سراسر جهان برنامه‌های بیوگاز را اتخاذ کرده‌اند تا هم سیستم‌های بیوگاز خانگی و هم کارخانه‌های هضم بی‌هوازی بزرگ‌تر را در دسترس، کارآمد و راحت‌تر کنند. از آنجایی که محل های دفن زباله به طور غیرقانونی بارگیری می شوند و انتشار متان مشکلات نگران کننده تری ایجاد می کند، مزایای سیستم های بیوگاز مرتبط تر و مهم تر می شوند.

راه های تولید بیوگاز چیست ؟

بیوگاز را می توان با انواع مختلفی از مواد آلی تولید کرد و بنابراین مدل های مختلفی برای تجزیه زیست گاز وجود دارد. برخی از سیستم های صنعتی برای تصفیه طراحی شده اند: فاضلاب شهری، فاضلاب صنعتی، زباله های جامد شهری و پسماندهای کشاورزی.

سیستم‌های مقیاس کوچک معمولاً برای هضم فضولات حیوانات استفاده می‌شوند. و سیستم های جدیدتر به اندازه خانواده برای هضم ضایعات غذا طراحی شده اند. بیوگاز حاصل را می توان در گاز، برق، گرما و سوخت های حمل و نقل استفاده کرد.

به عنوان مثال، در سوئد، صدها خودرو و اتوبوس با بیوگاز تصفیه شده کار می کنند. بیوگاز در سوئد عمدتاً از تصفیه خانه های فاضلاب و محل های دفن زباله تولید می شود.

نمونه دیگری از کاربردهای متنوع بیوگاز کارخانه First Milk است. یکی از بزرگترین تولیدکنندگان پنیر در بریتانیا در حال ساخت یک کارخانه هضم بی هوازی برای پردازش بقایای لبنیات و تبدیل آنها به بیومتان برای شبکه گاز است. گیاهان تجزیه بی هوازی جدید مانند اینها با داستان های جذاب هر روز ظاهر می شوند.

سیستم های بیوگاز در مقیاس کوچک

هاضم های زیست گاز در مقیاس کوچک( در سطح خانواده)، بیشتر در هند و چین یافت می شوند. با این حال، تقاضا برای چنین واحدهایی به لطف فناوری های پیشرفته و راحت تر، به سرعت در حال رشد است. از آنجایی که دنیای مدرن زباله های بیشتری تولید می کند، افراد مشتاق یافتن راه های زیست محیطی برای تصفیه زباله های خود هستند.

سیستم‌های سنتی که معمولاً در هند و چین یافت می‌شوند بر ضایعات حیوانات تمرکز دارند. به دلیل کمبود انرژی در مناطق روستایی همراه با مازاد کود حیوانی، هاضم های بیوگاز بسیار محبوب، کاربردی و حتی زندگی را تغییر می دهند. در بسیاری از کشورهای در حال توسعه، برای تامین تجزیه کننده های بیوگاز، توسط دولت و وزارتخانه‌های محلی یارانه پرداخت می‌شوند و از مزایای مختلف بیوگاز حمایت می‌کنند. بسیاری از خانواده ها علاوه بر داشتن انرژی پاک و تجدیدپذیر که گاز آشپزخانه را تامین می کند، از محصول جانبی کود که هاضم کننده های بیوگاز ارائه می کنند، استفاده گسترده ای می کنند.

در کشورهای آفریقایی، برخی از مصرف کنندگان زیست گاز حتی با فروش محصول جانبی دوغاب زیستی تولید شده توسط سیستم های بیوگاز به سود می رسند. این بیو دوغاب با کود مایعی که روزانه تولید می شود متفاوت است. دوغاب زیستی به تجزیه شده ترین مرحله ماده آلی پس از تجزیه در هاضم اطلاق می شود. دوغاب زیستی در انتهای سیستم بیوگاز فرو می‌رود و با کمک واحدهای مدرن مانند HomeBiogas، پس از جمع‌آوری به سرعت تخلیه می‌شود (معمولاً یک فرآیند سالانه). این دوغاب زیستی در واقع یک لجن متراکم مواد مغذی است که فواید زیادی برای خاک فراهم می کند و می تواند بهره وری باغات سبزیجات را افزایش دهد.

بیوگاز یک فناوری است که از توانایی طبیعت برای پس دادن تقلید می کند. واحدهای بیوگاز در اندازه صنعتی و خانوادگی به طور باورنکردنی در حال تبدیل شدن به محبوبیت و مرتبط بودن در دنیای امروز هستند.

منبع : homebiogas