در هند، جایی که پزشکی و مهندسی رویای مشترک بسیاری از کودکان است، پسربچهای در کلاسهای ابتدایی حیدرآباد آرامآرام مسیر دیگری را در ذهن خود ترسیم کرد. او میدید که پزشکی هرچند ارزشمند است، تاثیرش به محدودهای کوچک منحصر میشود. همین انگیزه برای رشد و پیشرفت بیشتر، انتخابش را تغییر داد و شیمی را به راه تازه زندگیاش بدل کرد؛ تصمیمی که شاید برای بسیاری کوچک به نظر میآمد، پایه آیندهای متفاوت برای او شد.
این داستان محمد خواجه نذیرالدین است؛ روایتی از انتخابهای پیدرپی و مسیری که هر انتخاب جدید، فصل دیگری از زندگیاش را رقم زد.
جر قدیمی ساختمان سلول خورشیدی
وقتی درباره پنلهای خورشیدی حرف میزنیم، درواقع صحبت از واحدهای کوچکی به نام سلول خورشیدی است؛ سلولهایی که کنار هم چیده شدهاند تا انرژی نور خورشید را بگیرند و به برق تبدیل کنند. در نسل اول این فناوری، این سلولها از مادهای به نام سیلیکون ساخته میشدند.
در این ساختار، یک سلول خورشیدی از دو نوع سیلیکون با خواص متفاوت تشکیل شده است؛ نوع اول یا همان n-type، با ناخالصی فسفر دارای الکترون اضافی میشود و اضافه شدن عناصری مثل بور به نوع دوم یا همان p-type، باعث کمبود الکترون در آن میشود. در سیلیکون نوع p بهدلیل کمبود الکترون، جایگاههایی خالی با عنوان حفره ایجاد میشوند که خواستار پرشدن هستند؛ در نتیجه زمانی که این دو نوع کنار هم قرار گیرند، در ناحیه مرز بینشان، الکترونها از سمت n به p حرکت میکنند و حفرهها را پر میکنند. وقتی این انتقال الکترونها کامل شد، در اثر اختلاف بار ایجادشده بین دو نوع سیلیکون، ناحیهای خاص به نام ناحیه تخلیه شکل میگیرد. این ناحیه تحتتاثیر میدان الکتریکی داخلی ایجاد شده، مانع عبور آزادانه بیشتر الکترونها میشود. در این زمان است که دیگر امکان عبور الکترون از این مسیر کوتاه میان n-type و p-type وجود ندارد. این میدان مانند یک نگهبان و مانع عمل میکند، زیرا از ترکیب مجدد الکترونها و حفرهها جلوگیری میکند و در واقع یک مسیر جدید برای جریان یافتن الکترونها ایجاد خواهد شد. از این به بعد اگر انرژی ذرات نور باعث جدا شدن یک الکترون از مولکول سیلیکون شود، کمک میکند تا الکترون و حفره بهسمت مسیرهای مخالف بروند و جریان برق شکل بگیرد. الکترونهای آزادشده، بهسمت مدار بیرونی حرکت میکنند و پس از طی مسیر، دوباره به داخل سلول برمیگردند و با حفرهها ترکیب میشوند. این رفتوآمد مداوم، همان جریان الکتریکی است که از نور خورشید بهدست میآید.
قهرمانی به نام پروسکایت
سلولهای سیلیکونی برای سالها پایه و اساس پنلهای خورشیدی بودند اما با وجود موفقیتهای فراوان، هنوز با محدودیتهایی ازجمله بازده پایین، هزینههای بالا، پیچیدگی فرآیند ساخت و استفاده از موادی کمیاب در طبیعت مواجه هستند. این محدودیتها راه را برای ورود فناوریهای جدید باز کردند و نسل جدیدی از سلولهای خورشیدی با نام سلولهای پروسکایتی وارد صحنه شدند. کلمه پروسکایت در اصل به نوع خاصی از ساختار بلوری با فرمول کلی ABX اشاره دارد. ساختاری که در آن،A اغلب یک کاتیون آلی مثل متیلآمونیوم،B یک فلز مثل سرب و X یک هالوژن مانند ید است. گرچه عملکرد پایه این سلولها مشابه نوع سیلیکونی است، مواد تشکیلدهنده آنها بهدلیل ساختار بلوری منظم و انعطافپذیری شیمیایی، قادرند نور را بهخوبی جذب کرده و بارهای الکتریکی را بهصورت موثری منتقل کنند.
زیر چتر افزودنی
همانقدر که پروسکایتها نویدبخش هستند، در مواجهه با رطوبت و گرما پایداری ساختارشان کاهش مییابد. این ویژگی، یکی از موانع اصلی برای تجاریسازی گسترده آنهاست و اینجاست که تلاشهای محمد نذیرالدین نمود پیدا میکند. برای مقابله با این چالش، رویکردهایی گوناگون موردبررسی قرار گرفتهاند. ازجمله، ترکیب ساختارهای دوبعدی و سهبعدی که علاوهبر مقاومت بیشتر در برابر نفوذ رطوبت، موجب افزایش پایداری عملکرد در طولانیمدت نیز میشود.
در سلولهای پروسکایت، شبکه بلوری در سه بعد گسترش پیدا میکند و ساختاری سهبعدی را شکل میدهد. در روش ذکرشده، با اضافه کردن گروههای فلوئوردار مثل فلوئورو-فنیل اتیل آمین و پنتافلوئورو-بنزیل آمین به لایه سطحی، این لایه را به ساختاری دوبعدی تبدیل میکنند. ساختار ایجادشده آبگریز بوده و همانند سپر، از تجزیه بخش اصلی سلول جلوگیری میکند.
در پژوهشی دیگر، ترکیباتی مانند آلکیلفسفونیک اسید-آمونیوم کلراید معرفی شدند که بهعنوان پلهای مولکولی، لبههای بلورهای پروسکایت را به یکدیگر متصل میکنند و ساختاری یکپارچهتر و مقاومتر میسازند.
این اصلاح سطح موجب شد سلولها حتی پس از یک هفته قرارگیری در رطوبت ۵۵ درصد، همچنان بیش از ۸۰ درصد بازده اولیه خود را حفظ کنند، درحالیکه نمونههای فاقد این پوشش بهسرعت عملکرد خود را از دست دادند.
همچنین، پژوهشها نشان دادند که افزودن همزمان یک دوپانت مانند متیلآمونیوم کلراید (برای تنظیم ویژگیهای الکتریکی) و یک افزودنی مانند ۱و۳-بیسسیانومتیلایمیدازولیوم کلراید (برای بهبود کیفیت بلوری و شیمیایی)، موجب شکلگیری لایهای یکنواخت و پایدار از پروسکایت میشود. این همافزایی، نقش موثری در کاهش نقصها و افزایش عملکرد ایفا میکند. از سوی دیگر، استفاده از افزودنیهای فسفونیکاسید نیز به بهبود انسجام و نظم ساختار بلورهای پروسکایت کمک کرد. چنین بهینهسازیهایی، نهتنها بازدهی را از حدود ۹ درصد به بیش از ۱۶ درصد افزایش دادند، بلکه ثبات عملکرد سلولها را در شرایط رطوبت نسبی بالا بهطور چشمگیری بهبود بخشیدند.
الکترونها در تله انرژی
در مسیر افزایش بهرهوری و پایداری سلولهای خورشیدی پروسکایتی، درک دقیقتری از رفتار الکترونها و تراز انرژی لایهها نیز ضروری شد. همانطور که پیشتر هم اشاره شد، سلول خورشیدی از چندین لایه تشکیل شده است که هرکدام نقش متفاوتی در تبدیل نور خورشید به برق ایفا میکنند. مهمترین این لایهها، لایه فعال است؛ جایی که نور جذب شده و الکترونها از اتمهای خود جدا میشوند تا جریان الکتریکی تولید شود. هر مادهای در این ساختار، دارای ترازهای مشخصی از انرژی برای الکترونهای خود است. اگر ترازهای انرژی بین لایهها مانند لایه جاذب و لایههای انتقال بار بهدرستی همتراز نباشند، الکترونها هنگام عبور انرژی از دست داده یا به دام میافتند. یکی از عوامل این گرفتاری، وجود تلههای انرژی است؛ نقاطی در ساختار ماده که بهدلیل نقص یا ناهماهنگی بلورها، الکترونها را به دام میاندازند و مانع از ادامه حرکت آنها در مدار میشوند. این پدیده باعث کاهش جریان، اتلاف انرژی و در نهایت افت بازدهی میشود. برای مقابله با این مشکل، راهکارهایی گوناگون ارایه شد. یکی از آنها نفوذ پلاسماهای غیرحرارتی به ساختار پروسکایتها بود که منجر به غیرفعال شدن تلههای انرژی ناشی از نقصهای بلوری و بهینه سازی ترازهای انرژی شد. همچنین، تلاشهایی برای بهینهسازی ترکیب شیمیایی لایه فعال نیز انجام گرفت.
گروه دکتر محمد نذیرالدین – برنده جایزه مصطفی (ص) در سال ۲۰۰۵ – با افزودن مقدار کنترلشدهای از یدید سرب (PbI2) اضافی به لایه پروسکایت، موفق به تشکیل بلورهای منظم و یکنواختتر شدند؛ بلورهایی که تلههای کمتری داشتند و بازدهی بالاتری ارایه میدادند. نتیجه این اصلاحات، دستیابی به سلولهایی با بازده بیش از ۲۰ درصد بود که حتی پس از قرارگیری در شرایط محیطی واقعی، بخش عمدهای از عملکرد خود را حفظ کردند. چنین پیشرفتهایی، نشان داد که رسیدن به ترکیب ایدهآل، تنها از مسیر شناخت عمیقتر و مهندسی دقیقتر رفتار بارهای الکتریکی میگذرد.
اولین معادلههای زندگی
محمد خواجه نذیرالدین در سال ۱۹۵۷ در هند به دنیا آمد و کودکیاش را در تومبور گذراند. تنها پنج سال داشت که پدرش را از دست داد و خانوادهاش با سختیهای تازهای روبهرو شدند. در آن زمان، برادرش مسوولیت حمایت او را عهدهدار شد و علاوهبر آن محبت و تشویق معلمش او را در راه تحصیل، دلگرم نگاه میداشت. آغاز مسیر علمی نذیرالدین در دانشگاه عثمانیه حیدرآباد رقم خورد؛ جایی که برای دوره کارشناسی، ترکیب شیمی و زیستشناسی را برگزید. اگرچه تحصیل در رشتههای علوم پایه به معنای درک پایهای جهان هستی بود، برای او بیشتر شروع سفری شد که بعدها به خط مقدم فناوریهای انرژی پاک و سلولهای خورشیدی ختم شد.
پس از فارغالتحصیلی، نذیرالدین در آزمون ورودی مقاطع بالاتر شرکت کرد و در میان داوطلبان زیاد، توانست رتبه قبولی در دو رشته ژنتیک و شیمی را به دست آورد. هرچند به ژنتیک علاقه داشت اما در آن زمان این رشته در هند چندان مورد توجه نبود؛ به همین دلیل شیمی را ادامه داد. با تکمیل کارشناسی در سال ۱۹۷۸ و کارشناسیارشد در ۱۹۸۰، تمرکز او بهسمت شیمی معدنی معطوف شد؛ شاخهای که به مطالعه ویژگیها و واکنشهای تمامی عناصر و ترکیبات غیر هیدروکربنی میپردازد. در سال ۱۹۸۶، او با راهنماییهای استادش دکتر تقیخان، دوره دکتری خود را در همان دانشگاه عثمانیه به پایان رساند؛ نقطه عطفی که او را رسما وارد دنیای تحقیق و پژوهش کرد.
همزمان در همان سالها، نذیرالدین بهعنوان همکار پژوهشی در موسسه تحقیقاتی مرکزی نمک و مواد شیمیایی دریایی بهاونگر نیز فعالیت میکرد و نخستین گامهای حرفهای خود را در عرصه تحقیقات کاربردی برداشت.
انتخابهای سرنوشتساز
نذیرالدین در سال ۱۹۸۵، مدرس دانشکده مهندسی و فناوری دکن در دانشگاه عثمانیه شد. او خیلی زود دریافت که ماندن در همان موقعیت، نمیتواند پاسخگوی عطشش برای پیشرفت باشد. تشویقهای دکتر تقیخان، این پژوهشگر را بهسمت اقدام برای بورسیه تحصیلی سوق داد. دغدغه اصلی نذیرالدین یافتن راههایی برای تولید آمونیاک با هزینه و دمای کمتر بود؛ موضوعی که برای کشاورزی در هند اهمیت فراوان داشت.
با همین ایده در مصاحبهای در دهلی شرکت کرد و پس از دریافت بورسیه، درخواستهای خود را به دانشگاههای مختلف جهان ارسال کرد.
سه استاد برجسته، Bill Gibson از دانشگاه Imperial لندن،Cotton از دانشگاه تگزاس در آمریکا و Michael Gratzel از EPFL سوییس، خواستار همکاری با او شدند.
درنهایت، نذیرالدین راه Gratzel را انتخاب کرد، چراکه باور داشت جوانتر بودن او به معنای جسارت بیشتر در ایدهپردازی و زمینهای بهتر برای رشد خواهد بود.
به این ترتیب، این پژوهشگر برای دوره پسادکتری به EPFL رفت. در گروه Michael Gratzel دو موضوع انرژیهای تجدیدپذیر و کاتالیز وجود داشت و همین باعث تغییر هدف نذیرالدین بهسمت انرژیهای تجدیدپذیر شد.
نذیرالدین کار خود را در ابتدا در نقش پژوهشگر پسادکتری آغاز کرد و طی سالهای بعد، در سمتهای دیگر به فعالیت ادامه داد.
سلولهایی بهسوی خورشید
او در سال ۲۰۰۹ به مدت پنج سال استاد تمام دانشکده شیمی مواد پیشرفته در دانشگاه کره بود و از ۲۰۱۲ تا ۲۰۲۲ در جایگاه استاد تمام گروه مهندسی مولکولی مواد کاربردی در دانشگاه EPFL قرار داشت. این سالها، زمینهساز تمرکز او بر فناوریای شدند که امروزه محور اصلی کارش را تشکیل میدهد: سلولهای خورشیدی پروسکایت.
تمرکز او بر پروسکایت بهعنوان مادهای نوظهور در سلولهای خورشیدی، بخشی از تغییر نگاه جهانی به انرژی خورشیدی را رقم زده است.
این ماده کریستالی از اوایل قرن بیستم شناخته شده بود و در سالهای اخیر توجه ویژهای بهدلیل خواص استثناییاش در تبدیل انرژی خورشیدی جلب کرده است. سلولهای خورشیدی پروسکایت نسل جدیدی از فناوریهای انرژی پاک به شمار میروند که بازدهی بالا، هزینه تولید پایین و سهولت ساخت را به همراه دارند. تمرکز محمد نذیرالدین بر این فناوری، بخش مهمی از تلاشها برای توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر است.
ردپا در آمار و اعتبار جهانی
محمد نذیرالدین تاکنون بیش از ۹۸۰ مقاله داوریشده در نشریات معتبر منتشر کرده و ۱۰ فصل کتاب و ۱۰۳ ثبت اختراع به نام خود دارد. سه پتنت اصلی او شامل رنگهای N3 و N790، روش دومرحلهای رسوبدهی برای ساخت سلولهای خورشیدی پروسکایت و استفاده از پوشش مخصوص برای جلوگیری از نشت سرب در این سلولها بوده است؛ نوآوریهایی که سهم مهمی در پیشبرد فناوریهای خورشیدی داشتهاند. پژوهشهای او بیش از ۱۹۴هزار بار مورد استناد قرار گرفته و شاخص h او به ۱۹۷ رسیده است؛ معیاری که جایگاه او را در میان پراستنادترین دانشمندان جهان قرار میدهد. نذیرالدین از سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۴ همواره در فهرست پژوهشگران پراستناد ISI قرار داشته و بیش از ۴۵۰ بار برای سخنرانی در کنفرانسهای بینالمللی دعوت شده است.
همکاریهای او تنها به دنیای دانشگاهی محدود نمانده، بلکه با شرکتهای بزرگ صنعتی مانند Panasonic، NEC، TOYOTA-AISIN، TOYOTA-Europe Motors، Solaronix و ABENGOA نیز مشارکت داشته و بخشی از تحقیقاتش با حمایت آنها تامین مالی شده است. اهمیت کارهای او سبب شد تا در سال ۲۰۱۵، تامسون رویترز نام او را در میان ۱۹ ذهن علمی اثرگذار جهان قرار دهد. افزون بر این، نذیرالدین عضو انجمن شیمی اروپا، آکادمی علوم اروپا، انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا و آکادمی علوم تلنگاناست؛ جایگاههایی که نشاندهنده گستره تعاملات علمی او در سطح بینالمللی هستند. او همچنین تجربه عضویت در هیات داوران و تحریریه چندین مجله معتبر علمی را دارد. این مسوولیتها، جایگاه مهم او را در نقد، بررسی و هدایت روندهای پژوهشی در حوزههای تخصصیاش بیش از پیش برجسته میکنند.
گواهی بر تلاش
محمد نذیرالدین در طول زندگی حرفهای خود، مجموعهای از افتخارات علمی را به دست آورده است. او تاکنون دستکم ۲۰ جایزه ملی و بینالمللی را که هر یک تاییدی بر سهم او در توسعه دانش انرژیهای تجدیدپذیر، ساخت کمپلکسهای فلزی و بهویژه سلولهای خورشیدی پروسکایت به شمار میروند از آن خود کرده است. او این افتخارات را نتیجه تلاشهایش در زمینه مهندسی ترکیب پروسکایتها، اصلاح فصل مشترکها و بهبود لایههای انتقال بار میداند؛ نوآوریهایی که منجر به ثبت بالاترین راندمانها در این فناوری شدند و نگاه تازهای به آینده انرژی پاک بخشیدند. از میان این افتخارات، برخی جوایز جایگاه ویژهای دارند. ازجمله مهمترین جوایز نذیرالدین در سال ۲۰۲۱، جایزه بینالمللی خوارزمی در حوزه علوم بنیادی بود. او در ادامه، در سال ۲۰۲۵ از برگزیدگان جایزه مصطفی معرفی شد. این پژوهشگر، بورسیهها و جوایز متعددی در کشورهای مختلف، ازجمله هند، ژاپن، برزیل و سوییس نیز دریافت کرده است. هر یک از این تقدیرها، تصویری از تاثیر بر حوزهای هستند که امروزه یکی از حیاتیترین چالشهای بشر یعنی توسعه انرژی پایدار برای آیندهای سبزتر را نشانه گرفته است.
مسیر محمد نذیرالدین، مجموعهای از انتخابها و تجربهها را در خود جای داده است. او در مقاطع مختلف زندگی میان رشتهها و استادان گوناگون دست به انتخاب زد و هر بار همین انتخابها مسیر تازهای را برایش گشودند. از همان دوران دانشگاه عثمانیه و تردید میان ژنتیک و شیمی، تا تصمیم برای رفتن به سوییس و کار در کنار Michael Gratzel و سپس تمرکز بر انرژیهای تجدیدپذیر و سلولهای خورشیدی پروسکایت، هر مرحله گرهی تازه در رشتهای بود که به کارنامهاش شکل داد. ورای اعداد و افتخارات، زندگی او نمونهای از پیوند میان علم و کاربردهای روزمره است. سرگذشت او نشان میدهد پژوهش، بیش از آنکه به یک نقطه پایان برسد، سفری مداوم است؛ سفری که همچنان ادامه دارد و بخشهای تازهای برای نوشتن پیش روی او خواهد گذاشت.
دیدگاهتان را بنویسید