אנרגיה
נוריות ולייזרים - הבנה חדשה של Perovskites יכולה לשפר את מדדי הביצועים
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
מדענים צוללים עמוק יותר לתוך פרובסקיט כדי להבין טוב יותר את החומר הזה, שיש לו יישומים עצומים המכסים אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה, לייזרים, אופטואלקטרוניקה, חיישני גלוקוז ועוד. אבל מה זה בדיוק?
פרוסקיט הוא מינרל טבעי העשוי מסידן, טיטניום וחמצן עם המבנה הגבישי של CaTiO₃ או בעל הנוסחה ABX3. הוא התגלה לראשונה בשנת 1839 ברוסיה. מחלקה של חומרים בעלי אותו מבנה גבישי כמו המינרל פרובסקיט ידועים גם כחומרי פרוסקיט.
מקור: פאברה מינרלים
המאפיינים הפיזיקליים יוצאי הדופן כמו התנהגות פרו-אלקטרית, דיאלקטרית, פיזואלקטרית ופירואלקטרית ותכונות כימיות, כולל פעילות קטליטית ויכולת הובלת חמצן של פרובסקיט, הופכות אותם לאחד ממעמדות המבנה החשובים ביותר במדעי החומר. זה הופך אותם למועמדים פוטנציאליים ליישומים בתאי דלק, התקני זיכרון ופוטו-וולטאים.
הם יכולים לשמש גם בתאים סולאריים להמרת אור השמש לחשמל, כמו גם לרכישת אנרגיה נקייה והשפלה של מזהמים אורגניים.
בהתחשב בכל מיני תעשיות שונות, פרובסקיט יכול לעזור להתקדם, הגיוני שמדענים מנסים להבין את זה טוב יותר.
לחץ כאן כדי ללמוד הכל על חומרים פיזואלקטריים.
הבנת פרוסקיט ברמה אטומית לשליטה טובה יותר
חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט, בתמיכת הקרן הלאומית למדע, גילו דרך ליצור פרוסקיטים היברידיים שכבות (LHPs) על ידי לימודם ברמה המולקולרית.
פריצת דרך זו מאפשרת שליטה חסרת תקדים בתכונות פולטות האור של LHPs ויכולה להוביל להתקדמות משמעותית בטכנולוגיות לייזר ולדים. זה גם טומן בחובו הבטחה להנדסת חומרים אחרים לשימוש במכשירים פוטו-וולטאיים.
פרוסקיטים היברידיים שכבות (LHPs), על פי ה מחקר, הופיעו כמוליכים למחצה מבטיחים ליישומי האנרגיה והפוטונים של הדור הבא. כאן, שליטה בהפצה, בגודל ובכיוון של בארות קוונטיות (QWs) היא חשובה ביותר.
LHPs מורכבים מיריעות דקות מאוד של חומר מוליך למחצה פרובסקיט. יריעות אלו מופרדות זו מזו על ידי שכבות "מרווחות" אורגניות דקות.
בהתחשב בכך שסרטים דקים אלה של יריעות מרובות של שכבות פרוסקיט ושכבות "מרווחות" יכולות להמיר ביעילות מטען חשמלי לאור, LHPs היו בעלי עניין רב לקהילת המחקר במשך שנים. עם זאת, יש עדיין הבנה מוגבלת כיצד להנדס אותם כדי לשלוט במאפייני הביצועים שלהם.
כדי להבין אותם, עלינו להתחיל עם בארות קוונטיות, שהן יריעות של חומר מוליכים למחצה שנתקעו בין שכבות 'מרווחים'.
הם השכבות שנוצרות ב-LHPs. ולבאר קוונטית בעובי שני אטומים יש אנרגיה גבוהה יותר מזו שעוביה חמישה אטומים.
מכיוון שאנרגיה זורמת ממבנים בעלי אנרגיה גבוהה למבנים בעלי אנרגיה נמוכה ברמה המולקולרית, אנו צריכים שיהיו לנו שלושה וארבעה בארות קוונטיות בעובי אטומים בין הבארות הקוונטיות בעובי שניים וחמישה אטומים, מה שיאפשר לאנרגיה לזרום ביעילות.
"בעיקרון אתה רוצה שיהיה לך שיפוע הדרגתי שהאנרגיה יכולה לגלוש למטה."
– Kenan Gundogdu, מחבר המשותף של המאמר ופרופסור לפיזיקה ב-NC State
עם זאת, אנשים המשיכו להיתקל באנומליה כאשר למדו LHPs. האנומליה היא התפלגות הגודל של בארות קוונטיות בדגימת LHP שנצפתה באמצעות דיפרקציה של קרני רנטגן, השונה ממה שזוהה באמצעות ספקטרוסקופיה אופטית.
ארם אמסיאן, המחבר המקביל של המאמר ופרופסור למדעי החומרים והנדסת החומרים באוניברסיטת NC State, המחיש כיצד עקיפה יכולה להצביע על כך שלבארות קוונטיות יש עובי של שני אטומים והן חלק מגביש בתפזורת תלת-ממדית. בינתיים, ספקטרוסקופיה יכולה לגלות שהבארות הקוונטיות הן בעובי של שניים, שלושה וארבעה אטומים, בנוסף לנוכחות השלב התלת מימדי.
אז, הצוות הלך לחפש תשובות: מדוע יש ניתוק זה בין השניים, וכיצד ניתן לשלוט בגודלן ובתפוצה של בארות קוונטיות ב-LHPs?
באמצעות ניסויים, הצוות גילה כי ננו טסיות דם (NPLs) הן שחקן המפתח. NPLs הם גיליונות בודדים של חומר פרוסקיט שנוצרים באופן ספונטני על פני הפתרון בו השתמשו החוקרים ליצירת LHPs.
"מצאנו שהננו-טסיות האלו משמשות בעצם כתבניות לחומרים שכבות שנוצרים מתחתיהן", אמר אמסיאן, וציין שהעובי האטומי של ננו-טסיות מכתיב את עובי ה-LHP שמתחתיה.
עם זאת, הננוטסיות אינן יציבות, והעובי שלהן ממשיך לגדול, ומוסיף שכבות חדשות של אטומים לאורך זמן.
"בסופו של דבר, הננו-טסיות גדלות כל כך עבות שהיא הופכת לגריסטל תלת מימדי."
– אמסיאן
אז, האנומליה נבעה מעקיפה שזיהתה את הערימה של יריעות אך לא ננו-טסיות, בעוד שספקטרוסקופיה אופטית מזהה יריעות מבודדות. הוא הוסיף:
"מה שמרגש הוא שגילינו שאנחנו יכולים למעשה לעצור את הצמיחה של טסיות ננו בצורה מבוקרת, בעצם לכוון את הגודל וההפצה של בארות קוונטיות בסרטי LHP."
על ידי כך, החוקרים יכולים להשיג מפלי אנרגיה מעולים, החיוניים לשחזור גבוה, סף נמוך ויציבות צילום של הסביבה.
זה מתורגם לכך שהחומר מהיר ויעיל ביותר בהעברת מטענים ואנרגיה למטרות של יישומי לייזר ולדים.
כאשר ננו-טסיות ממלאות תפקיד קריטי ביצירת שכבות פרוסקיט ב-LHPs, החוקרים הלכו לבדוק אם ניתן להשתמש ב-NPLs כדי להנדס את המבנה והמאפיינים של חומרים פרוסקיטים אחרים, כולל אלו המשמשים בתאים סולאריים וטכנולוגיות פוטו-וולטאיות אחרות.
"מצאנו שהננוטסיות ממלאות תפקיד דומה בחומרי פרובסקיט אחרים וניתן להשתמש בהן כדי להנדס את החומרים האלה כדי לשפר את המבנה הרצוי, לשפר את הביצועים הפוטו-וולטאיים והיציבות שלהם."
– מילאד אבולהסאני, מחבר שותף ופרופסור ALCOA להנדסה כימית וביו-מולקולרית ב-NC State
אז, הצוות מינף את ה-NLPs כדי לשלוט על אוריינטציה של פרוסקיטים תלת מימדיים ולשפר את היציבות והיעילות של תאים סולאריים רחבי פס.
שימוש בסימולציות מחשב לתובנה מפורטת לגבי Perovskites
תאים סולאריים, או תאים פוטו-וולטאיים (PV)., זוכים לפופולריות רבה הודות ליתרונות הסביבתיים שלהם. אנרגיה סולארית, אחרי הכל, היא נקייה, מתחדשת ואינה מייצרת פליטת גזי חממה. אור השמש זמין גם בכמויות בלתי מוגבלות, מה שהופך אותו קל לרתום עם תאים סולאריים.
בנוסף, העלויות שלהם ירדו באופן משמעותי, עד 70% מאז 2010, מה שהופך אותם לזולים. התקדמות הטכנולוגיה שיפרו עוד יותר את הביצועים ואת תוחלת החיים שלהם.
עם זה, שוק התאים הסולאריים העולמי צפוי להגיע 730.74 $ מיליארד בעשור הבא.
תא סולארי הוא בעצם מכשיר הממיר את אור השמש ישירות לחשמל. לשם כך הוא משתמש בחומרים כמו סיליקון, אבל מדענים מחפשים חומרים יעילים ויציבים יותר, ופרוסקיטים נתפסים כחלופה מבטיחה.
מדענים עובדים על טכנולוגיה סולארית פרוסקיט כבר זמן מה, וההתקדמות הובילה לשבירת שיאי היעילות שלה. בתאים סולאריים, פרוסקיטים פועלים יחד עם סיליקון כדי לנצל יותר מהספקטרום הסולארי, ובתמורה מייצרים יותר חשמל לתא.
כעת, באמצעות סימולציות ממוחשבות ולמידת מכונה, חוקרים מאוניברסיטת צ'אלמרס לטכנולוגיה בשבדיה הצליחו להשיג תובנות חדשות לגבי האופן שבו חומרי פרוסקיט מתפקדים על מנת לעצב מכשירים אופטואלקטרוניים יעילים ויציבים.
למידת מכונה צברה משיכה רבה בקהילה המדעית מכיוון שחוקרים משתמשים בה כדי לחקור מערכות גדולות יותר ממה שהיה אפשרי בעבר בשיטות הסטנדרטיות ולאורך תקופה ארוכה יותר.
אז, צוות המחקר חקר סדרה של חומרי פרוסקיט דו-ממדיים, שהם יציבים יותר מאלו התלת-ממדיים.
הם מיפו את החומר בסימולציות ממוחשבות ואז הכפיפו אותו לתרחישים שונים כדי לקבל מושג מפורט על מה בדיוק הוביל לתוצאות בניסוי. הצוות הצליח לקבל סקירה רחבה ומפורטת הרבה יותר מבעבר, מה שחשוב במיוחד כאן מכיוון שבשכבות הדקות מאוד של החומר הזה, כל שכבה מתנהגת אחרת, מה שקשה מאוד לזהות בניסוי.
פרופסור פול ארהארט, חבר בצוות המחקר, עזר להם לקבל "תובנה הרבה יותר גדולה לגבי אופן הפעולה של פרוסקיטים דו-ממדיים".
בחומרי פרוסקיט דו מימדיים, ישנן שכבות אנאורגניות הנערמות זו על גבי זו ומופרדות על ידי מולקולות אורגניות.
"מה שגילינו הוא שאתה יכול לשלוט ישירות על האופן שבו אטומים בשכבות פני השטח נעים באמצעות בחירת המקשרים האורגניים וכיצד זה משפיע על התנועות האטומיות עמוק בתוך שכבות הפרובסקיט. מכיוון שהתנועה הזו כל כך חיונית למאפיינים האופטיים, זה כמו אפקט דומינו".
- פול ארהארט
התובנה הניכרת, לדברי המחבר, נותנת את ההזדמנות להבין מהיכן מגיעה היציבות של חומרי פרוסקיט דו-ממדיים.
"(זה יכול לעזור לחזות) אילו קישורים וממדים יכולים להפוך את החומר ליציב יותר ויעיל יותר בו זמנית."
– מחברת שותפה ג'וליה ויקטור
בשלב הבא, הצוות "יעבור למערכות מורכבות עוד יותר ובפרט, ממשקים שהם בסיסיים לתפקוד של מכשירים", הוסיף ויקטור.
התקדמות בטכנולוגיות לייזר ולדים
נעשה פיתוח רב בפרוסקיטים הודות לפוטנציאל העצום שלהם בכמה תחומי היי-טק, כולל הפקת אנרגיה נקייה באמצעות תאים סולאריים, מכשירים אופטואלקטרוניים כגון גלאי פוטו וחיישנים, והתקני זיכרון.
חשוב מכך, התקדמות בהבנת חומרי פרוסקיט ומחקר על LHPs יכולה להיות מחליף משחק עבור מכשירי לייזר מהדור הבא, שבהם הדיוק והיעילות הם החשובים ביותר, וטכנולוגיית LED, שיש לה השלכות על מסכים, תאורה וטכנולוגיות תצוגה מתקדמות.
על ידי כוונון עדין של חומרים אלה, נוכל להשיג לייזרים יעילים יותר עם יציבות צילום מוגברת ונוריות LED בעלות בהירות גבוהה עם צריכת אנרגיה מופחתת.
בעולם הטכנולוגיה המתפתח במהירות, לייזרים ולדים הפכו למרכיבים בסיסיים במגוון רחב של תעשיות: תקשורת, מכשור רפואי, ייצור ותאורה חסכונית באנרגיה.
במילים פשוטות, הטכנולוגיות הללו שינו את האופן שבו אנו מתקשרים עם העולם המודרני. פריצות הדרך האחרונות בשימוש בפרוסקיטים ובמבני באר קוונטיים הן רק אחד מני תחומים רבים שמדענים בוחנים כדי לקדם את טכנולוגיית הלייזר וה-LED.
להלן כמה ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות לייזר ו-LED:
דיודות לייזר מבטיחות עלות מופחתת, תפוקת אור גבוהה יותר, מרחק אלומה טוב יותר ויעילות. בשל היתרונות הללו, הם הופכים למרכיב חיוני באחסון נתונים אופטי. המזעור של דיודות לייזר הוביל גם להתקדמות במערכות LiDAR לרכבים אוטונומיים.
לייזרים אולטרה-מהירים, בינתיים, פולטים פולסים בטווח הפמטו-שניות, שהוא רביעיית השנייה. זה מאפשר עיבוד חומר מדויק מבלי לגרום לנזקי חום, וככזה, נמצא בשימוש יותר ויותר בניתוחים רפואיים ומחקר מדעי, במיוחד כדי לחקור תופעות מולקולריות וברמה האטומית.
על ידי שילוב למידת מכונה, בינה מלאכותית וחיישנים, נוצרים לייזרים מתקדמים יותר הפועלים באופן אוטונומי, מגבירים את היעילות ומדוייקים יותר.
הדפסת תלת מימד התומכת בלייזר, שבה נעשה שימוש במקור לייזר למיזוג חומרים סלקטיבי וליצירת אובייקטים מורכבים, היא מגמה מובילה נוספת בתחום טכנולוגיית הלייזר. בייצור תוסף, לייזרים סיבים, במיוחד, צוברים פופולריות בזכות ההספק הגבוה, היעילות והיכולת שלהם לספק קרן למרחקים ארוכים עם אובדן מינימלי.
גם לייזרים משמשים יותר ויותר עבור תחריט. לשם כך, נעשה שימוש בכל מיני לייזרים, מסיבים, CO2 וקריסטל ועד לייזרים דיודות ולייזרים מוצקים עם דיודה. במקרה אחד, חוקרים מאוניברסיטת פלינדרס שינו משטחים עם לייזרים בעלי הספק נמוך - שבדרך כלל דורשים לייזרים יקרים ובעלי הספק גבוה לאחסון נתונים.
במחקר אחר דיווחנו שחוקרים חשפו חומר לא מגנטי לקרינת לייזר בתדר גבוה כדי לייצר אפקט מגנטי בטמפרטורת החדר, שיש לו פוטנציאל לסלול את הדרך למחשבים יעילים ומהירים יותר באנרגיה ולמהפכה בתחום האלקטרוניקה.
מכשירי לייזר חדשים הפכו כל כך מתקדמים שהם יכולים כעת אפילו לנתח את עורו של אדם בזמן אמת. בנוסף, הם מאפשרים מיקוד מדויק של אזורים ספציפיים. לייזר הולמיום (YAG), שהוא אחד הלייזרים הבולטים בתחום האורולוגיה, שופר לאחרונה עם טכנולוגיה של אפנון דופק. טכנולוגיה חדשה זו מאפשרת מצבי גל פועם ורציף כאחד.
האבולוציה של הלייזרים העניקה לנו גם מיקרולייזרים, הניתנים להתאמה אישית רבה ומציעים חסימה אופטית חזקה ואינטראקציות משופרות בין אור לחומר.
בזירת ה-LED, תוחלת החיים גדלה באופן דרמטי, מה שתורם לחיסכון באנרגיה.
היישום של טכנולוגיית LED צובר תאוצה במיוחד בתאורת רכב, כאשר הנראות המשופרת, היעילות האנרגטית והעמידות שלהם משפרים את הבטיחות. בינתיים, בתאורת רחוב, נוריות LED מציעות תאורה בהירה יותר וחיסכון משמעותי באנרגיה.
כאן, הננוטכנולוגיה מראה את הפוטנציאל להשפיע באופן משמעותי על יעילות LED. נקודות קוונטיות הן גבישים קטנים במיוחד המכילים תכונות ייחודיות שניתן לכוונן כדי לפלוט אור בכל ספקטרום הנראות, מה שמספק יותר אפשרויות לצבע. נורות QD-LED מציעות דיוק ובהירות צבע משופרים, וככאלה, הופכות להיות נפוצות בטלוויזיות ובמסכים.
גרסאות קטנות יותר של נוריות LED מסורתיות, מיני ומיקרו-LED מאפשרות בינתיים רזולוציה גבוהה יותר, ניגודיות טובה יותר ויעילות אנרגטית בצגים. הם משולבים בטלוויזיות מהדור הבא, מכשירי AR/VR וטלפונים ניידים כדי להציע בהירות הרבה יותר טובה זמני תגובה מאשר OLEDs.
על ידי שילוב חיישנים ותכונות קישוריות לתוך נוריות LED, החוקרים מייצרים גם מערכות 'תאורה חכמה' המתאימות את הבהירות, הצבע והתזמון על סמך העדפות המשתמש או תנאי הסביבה.
חברות המובילות את המטען
כעת, בואו נסתכל על הזדמנויות השקעה פוטנציאליות בתחומים המתקדמים במהירות של לייזרים, נוריות ואנרגיה נקייה, שכולם יכולים להפיק תועלת מפריצות הדרך בחומרי פרובסקיט.
הראשון שמש (FSLR +% 3.46) היא מובילה בטכנולוגיה סולארית שהתמקדה בפתרונות פוטו-וולטאיים של סרט דק (PV). עם מניותיה נסחרות ב-207.75 דולר, עלייה של 19.35% ב-YTD, שווי השוק שלה עומד על 22 מיליארד דולר. ברבעון השני של 2, החברה דיווחה על מכירות של 24 מיליארד דולר, בעוד שהרווח הנקי יותר מהכפיל את עצמו ל-1.01 מיליון דולר. באותו זמן, המנכ"ל מארק וידמר אמר שחברות סולאריות עומדות בפני הגבלות על גישה להון, שכן המשקיעים מחכים שהמדיניות תתבהר על מנת לקבל החלטות מימון.
FirstSolar, Inc. (FSLR +% 3.46)
בינתיים, לומנטום אחזקות (LITE +% 3.02) עוסקת בתכנון וייצור של לייזרים ליישומים תקשורתיים, מסחריים ותעשייתיים. מניות החברה בשווי 4.7 מיליארד דולר זו עלו ב-31.21% ב-YTD כשהן נסחרות ב-69.43 דולר.
Lumentum Holdings Inc. (LITE +% 3.02)
ואז יש Acuity Brands, Inc. (חודש -0.61%), שהיא מובילה במערכות תאורת לד. מניות החברה בשווי 9.38 מיליארד דולר זו עלו ב-48.9% ונסחרות כעת ב-305 דולר.
Acuity Brands, Inc. (חודש -0.61%)
כעת, בואו נצלול עמוק יותר לתוך אחד מהביצועים המובילים בתחום.
Coherent, Inc. (COHR +% 1.05)
Coherent, Inc. (COHR +% 1.05)
שחקנית מפתח בתחום הטכנולוגיה מבוססת הלייזר, Coherent מספקת לייזרים למגוון רחב של יישומים, לרבות עיבוד חומרים, אלקטרוניקה וביו-רפואה. מניותיה עלו השנה ביותר מ-132%; עד כה היא נסחרה ב-105.10 דולר, מה שמעמיד את שווי השוק שלה על 15.6 מיליארד דולר. EPS (TTM) שלו הוא -1.85, וה-P/E (TTM) שלו הוא -54.79.
ברבעון הכספי הרביעי שלה, החברה דיווח הכנסות של 1.314 מיליארד דולר ו-4.708 מיליארד דולר לשנה המלאה שהסתיימה ב-30 ביוני 2024, עם שולי רווח גולמיים לפי GAAP של 32.9% ו-30.9%, בהתאמה. הצמיחה, לדברי ריץ' מרטוצ'י, סמנכ"ל כספים זמני, "נבעה בעיקר על ידי חוזק מתמשך הקשור לבינה מלאכותית בעסקי מקלטי ה-Datacom שלנו".
לאחרונה החברה הציג סדרה חדשה של לייזרים משוב גל מתמשך (CW) יעיל במיוחד (DFB), אשר נועדו להציע יעילות כוח גבוהה יותר ב-15% מהסטנדרטים בתעשייה. לייזרים אלה נותנים מענה לדרישה לרוחב הפס ההולך וגדל הנדרש על ידי מרכזי נתונים ממוקדי בינה מלאכותית. מוקדם יותר השנה, קוהרנט גם הושק לייזר פיקושניות תעשייתי HyperRapid NXT המאפשר ייצור אולטרה-דיוק של תאים סולאריים בעלי סרט דק.
סיכום
חומרי פרוסקיט הם בעלי ערך רב הודות ליעילות, חסכוניות, גמישות, רזון, ניידות ויכולות קליטת האור. ככזה, השגת הבנה טובה יותר ומעמיקה יותר של חומרים אלה, המתקדמת בקצב מהיר, יכולה לעזור לנו לפתוח אפשרויות חדשות עבור טכנולוגיות הלייזר וה-LED מהדור הבא.
על ידי שליטה במבנה ובהתנהגות של בארות קוונטיות, החוקרים סוללים עוד יותר את הדרך להעברת אנרגיה יעילה יותר, יציבות רבה יותר ותכונות משופרות של פליטת אור. פריצות דרך אלו יכולות למקם את הפרובסקיטים כמחליפים משחקים במגוון תעשיות, וככל שהמחקר נמשך, יש להם פוטנציאל לחולל מהפכה באנרגיה נקייה, טכנולוגיות תצוגה ויישומי לייזר, מה שהופך אותם למוקד של מדע החומר.
