Επαναστατική υπέρλεπτη ηλιακή τεχνολογία ανοίγει δρόμο για ενέργεια παντού

Η παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται με ρυθμούς που θέτουν τεράστιες προκλήσεις στην αειφορία. Σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας, μέσα στα επόμενα 25 χρόνια η ηλεκτρική ενέργεια αναμένεται να ξεπεράσει το 50% της συνολικής κατανάλωσης, από περίπου 20% που είναι σήμερα. Σε έναν κόσμο που «ηλεκτροδοτείται» ταχύτατα, η ανάπτυξη νέων και πιο αποδοτικών πηγών ενέργειας δεν είναι απλώς επιλογή, αλλά αναγκαιότητα.

Σε αυτό το πλαίσιο, μια ομάδα ερευνητών από το Chalmers University of Technology στη Σουηδία έκανε ένα σημαντικό βήμα προς το μέλλον της ηλιακής ενέργειας. Χρησιμοποιώντας μηχανική μάθηση και προηγμένες προσομοιώσεις, οι επιστήμονες αποκάλυψαν την κρυφή δομή ενός πολλά υποσχόμενου υλικού: του ιωδιούχου μολυβδαμινιδίου, ενός μέλους της οικογένειας των αλογονιδίων περοβσκίτη (halide perovskites). Το εύρημα αυτό μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για ανθεκτικά, εξαιρετικά αποδοτικά και υπέρλεπτα ηλιακά κύτταρα, ικανά να τοποθετηθούν παντού, από smartphones μέχρι ολόκληρους ουρανοξύστες.

Η κατηγορία των halide perovskites θεωρείται κορυφαία για τη δημιουργία ελαφριών, εύκαμπτων και οικονομικών ηλιακών κυττάρων, αλλά και άλλων οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών, όπως λαμπτήρες LED. Τα υλικά αυτά έχουν την ικανότητα να απορροφούν και να εκπέμπουν φως με εξαιρετική αποτελεσματικότητα. Ωστόσο, παρουσιάζουν μια αδυναμία: είναι ευάλωτα στην υποβάθμιση. Η έλλειψη βαθιάς κατανόησης του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν και υποβαθμίζονται αποτελεί εμπόδιο στην ευρεία αξιοποίησή τους.

Το ιωδιούχο μολυβδαμινίδιο είναι ένα από τα πιο υποσχόμενα υλικά αυτής της οικογένειας. Διαθέτει κορυφαίες οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες, αλλά η περιορισμένη σταθερότητά του περιόρισε μέχρι σήμερα την εφαρμογή του. Οι επιστήμονες είχαν παρατηρήσει ότι η ανάμειξή του με άλλα υλικά halide perovskites θα μπορούσε να βελτιώσει την αντοχή του, όμως η διαδικασία απαιτούσε ακριβέστερη γνώση της συμπεριφοράς του.

Η ομάδα του Chalmers έριξε φως σε μια φάση του υλικού που για χρόνια αποτελούσε αίνιγμα. Μέσα από τις προσομοιώσεις και την υποστήριξη της μηχανικής μάθησης, οι ερευνητές κατάφεραν να περιγράψουν με λεπτομέρεια τη δομή του ιωδιούχου μολυβδαμινιδίου σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η ανακάλυψη αυτή θεωρείται κλειδί για τον σχεδιασμό και τον έλεγχο τόσο του συγκεκριμένου υλικού όσο και των μιγμάτων που μπορούν να δημιουργηθούν με βάση αυτό.

Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Journal of the American Chemical Society, δίνει για πρώτη φορά απάντηση σε θεμελιώδη ερωτήματα γύρω από την ακριβή κρυσταλλική δομή του υλικού σε συνθήκες ψύχους. Όπως εξηγεί η ερευνήτρια Sangita Dutta, η χαμηλή θερμοκρασία δημιουργεί μια ημι-σταθερή κατάσταση όπου τα μόρια του μολυβδαμινιδίου «παγιδεύονται», προσφέροντας πολύτιμα στοιχεία για τη συμπεριφορά του υλικού.

Ένα από τα πιο εντυπωσιακά στοιχεία της έρευνας είναι ο τρόπος με τον οποίο η μηχανική μάθηση ενίσχυσε τις προσομοιώσεις. Παραδοσιακά, η μοντελοποίηση των halide perovskites απαιτεί τεράστια υπολογιστική ισχύ και χρονοβόρες διαδικασίες. Με τον συνδυασμό κλασικών μεθόδων και τεχνικών τεχνητής νοημοσύνης, η ομάδα μπόρεσε να «τρέξει» προσομοιώσεις χιλιάδες φορές μεγαλύτερης διάρκειας και με μοντέλα που περιλαμβάνουν εκατομμύρια άτομα — πολύ πιο κοντά στην πραγματική φύση του υλικού.

Τα υπολογιστικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και πειραματικά, σε συνεργασία με ερευνητές του University of Birmingham. Οι επιστήμονες ψύξαν το υλικό στους -200°C και διαπίστωσαν ότι οι παρατηρήσεις στο εργαστήριο ταυτίζονται με τις προσομοιώσεις, γεγονός που δίνει αξιοπιστία στα νέα μοντέλα.

Για την ερευνήτρια Julia Wiktor, επικεφαλής της μελέτης, τα αποτελέσματα είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά.

Η ανάγκη για νέες, φιλικές προς το περιβάλλον και αποδοτικές μεθόδους παραγωγής ενέργειας είναι μεγαλύτερη από ποτέ. Τα ευρήματά μας δίνουν τα εργαλεία να κατανοήσουμε και να ελέγξουμε καλύτερα ένα από τα πιο υποσχόμενα υλικά για τις ηλιακές τεχνολογίες του μέλλοντος.

Η πρόοδος αυτή μπορεί να σηματοδοτήσει την αρχή μιας νέας εποχής για την ηλιακή ενέργεια. Αν τα υπέρλεπτα ηλιακά κύτταρα που βασίζονται σε halide perovskites καταστούν σταθερά και μακράς διάρκειας, θα μπορούσαν να καλύψουν κινητές συσκευές, ηλεκτρικά οχήματα, ακόμη και τις προσόψεις κτιρίων, μετατρέποντας οποιαδήποτε επιφάνεια σε πηγή ενέργειας.

[via]