سلول های خورشیدی پلیمری نسل جدیدی از تکنولوژی (Direct Energy Conversion) محسوب میشوند. امروزه، استفاده از نور خورشید به عنوان یک منبع غنی و در دسترس از انرژ ی های پاک، چندین سال است که به صورت جدی مورد توجه جامعه جهانی قرار گرفته است و در این میان، آنچه در زمینه بهره وری از این نیروی عظیم انرژی قابل توجه است پیشرفت های چشمگیری است که توسط دانشمندان رقم می خورد.
انـرژی خورشـیدی کـه مسـتقیما از نـور، الکتریسـیته تولیـد میکنـد منبـع مناسـبی برای تأمیـن انـرژی اسـت. عـلاوه بـر ایـن انـرژی خورشـیدی یکـی از تمیزترین منابع انرژی در دسـترس اسـت کـه میتـوان آن را جایگزیـن سـوختهای فسـیلی نمود.
همچنین، مطالعـات آمـاری بازارهـای جهانـی نشـان دهنده ی اینست کـه میـزان تقاضـا و اسـتفاده از سـلولهای خوشـیدی درسـالهای اخیـر باســرعت زیــادی روبــه افزایــش اســت.
تاریخچه سلول خورشیدی
- در اوایل دهه ی 1970 ﻗﻴﻤﺖ ﻧﻔﺖ ﺑﻪ ﺳــﺮﻋﺖ ﺑﺎﻻ ﺭﻓﺖ. ﻭ ﺍﻫﻤﻴﺖ ﻧﻔﺖ ﺩﺭ ﺩﻧﻴﺎﻯ ﻏﺮﺏ ﺷــﻨﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪ.
- ﺍﺯ ﻃﺮﻓﻰ ﺑﺎ ﺷﺮﻭﻉ تحقیقات ﺑﺮﺍﻯ ﺗﻮﻟﻴﺪ ﻣﻨﺎﺑﻊ ﺍﻧﺮژﻯ ﺗﺠﺪﻳﺪﭘﺬﻳﺮ، ﺻﻨﻌﺖ ﺳــﻠﻮﻝ ﺧﻮﺭﺷــﻴﺪﻯ ﺗﻼﺵ ﻛﺮﺩ ﺗﺎ ﺑﺮ ﺭﻭﻯ ﺳﻄﺢ ﺯﻣﻴﻦ ﻛﺎﺭﺑﺮﺩﻯ ﺑﺮﺍﻯ سلولهاﻯ ﺧﻮﺭﺷﻴﺪﻯ ﺑﻴﺎﺑد.
- ﺑﻌﺪ ﺍﺯ ﺣﺪﻭﺩ ﻳﻚ ﺩﻫﻪ، ﻣﻨﺎﺑﻊ ﺻﻨﻌﺖ ﺳﻠﻮﻝ ﺧﻮﺭﺷﻴﺪﻯ ﺑﻪ ﻣﻘﺪﺍﺭ ﺯﻳﺎﺩﻯ ﻛﺎﻫﺶ ﻳﺎﻓﺖ ﻭ ﺍﻳﻦ ﻭﺿﻊ ﺗﺎ ﺯﻣﺎﻥ ﻓﺎﺟﻌﻪ ﻫﺴﺘﻪ ﺍﻯ ﭼﺮﻧﻮﺑﻴــﻞ ﺩﺭ ﺁﻭﺭﻳﻞ 1986 ﺍﺩﺍﻣﻪ ﻳﺎﻓــﺖ.
ســلولهای خورشــیدی بــرای عملکــرد، وابســته بــه اثــر فتوولتاییــک هســتند. اثـر فتوولتاییـک بـرای اولیـن بـار در سـال 1839 توسـط فیزیکـدان فرانسـوی، بکــرل کشــف شــد. او مشــاهده کــرد هنگامــی کـه باطـری تحـت تابـش نـور قـرار میگیـرد ولتـاژ آن تغییـر می کنـد. همچنین، در سـال 1954، اولیـن سـلول سـیلیکونی بـا بـازده تبدیـل انـرژی 6 درصـد سـاخته شـد کـه پیشـرفت بزرگـی در زمینـه سـلولهای خورشـیدی بـه شـمار می رفـت، چـرا کـه اولیـن سـلول خورشـیدی بـود کـه بـا بـازده تبدیـل انـرژی قابـل قبولـی نـور خورشـید را بـه الکتریسـیته تبدیـل می کـرد.
اساس کار سلول هاى خورشیدى چیست؟
- ســلول هاى خورشیدى قطعات نیمرسانایى (نیمه هادی) هستند که انرژى تابشى خورشید را به انرژى الکتریکى تبدیل مى کنند.
- رسانایى این مواد به دما، روشنایى، میدان مغناطیسى و مقدار دقیق ناخالصى موجود در نیمرسانا بستگى دارد.
کاربردهاى سلول خورشیدى چیست؟
- تأمین انرژى لازم دســتگاه هایى که نیاز به ولتاژهاى کمترى دارند مثل ماشین حساب و ساعت
- تهیه ى برق شهر توسط نیروگاه هاى فوتوولتایى
- تأمین نیروى لازم براى حرکت خودروها و قایق هاى کوچک.
- تأمین نیروى حرکتى ماهواره ها و سفینه هاى فضایى.
برخی مزیت های سلولهای خورشیدی:
- سلول هاى خورشــیدى جاى زیادى را اشغال نمى کنند.
- همچنین، قسمت متحرک ندارند
- کارآیى آن ها با تغییرات دمایى محیط تغییرات چندانى نمى کند
- نسبتا به سادگى نصب مى شوند
- راحتى با دستگاه هاى به کار رفته در ساختمان جور مى شوند.
سلولهای خورشیدی انواع مختلفی دارند که در اینجا موضوع مورد بحث ما سلول خورشیدی پلیمری خواهدبود.
- سلول های خورشیدی سـیلیکونی شــکننده بــوده، هزینـه تولیـد بالایی دارنــد
- در مقابل، سـلولهای خورشـیدی پلیمری قابلیـت انعطـاف داشـته و هزینـه کمتـری بـرای سـاخت آنهــا مصــرف می شــود.
- مهم تریــن و کاربردی تریــن مــاده مــورد اســتفاده به عنــوان الکتـرود در سـلول خورشـیدی پلیمـری، ایندیـوم قلـع اکسـید اسـت. ایـن مـاده شـکننده بــوده، هزینــه تولیــد و بهــره وری آن بسـیار بالاســت.
- سـوختهای فسـیلی بـا تولیـد گاز کربـن دی اکسـید باعـث آلودگـی شـدید محیـط زیسـت میشـود، بنابرایـن باید بــه فکــر تأمین انـرژی از منابــع دیگری باشیم.
سلولهای خورشیدی پلیمری و ساختار آن
- سـلول های خورشـیدی پلیمــری، دســته ای از ســلولهای خورشـیدی آلـی هسـتند، کـه در لایه فعـال آنهـا از پلیمـر مزدوج اسـتفاده شـده اسـت.
- بــازده ایــن سـلولهای خورشیدی بــه 10 درصـد رسـیده اسـت.
- همچنین، ایـن سـلولها وارد رقابـت بـا سـلولهای سـیلیکونی شــده اند.
در شـکل 1 نمایـی از سـاختار سـلول خورشـیدی پلیمـری نشــان داده شــده اسـت. سـلول خورشیدی پلیمـری دارای لایه فعالـی اسـت کــه بیــن دو لایه الکترود قــرار گرفتـه اســت.
شکل1. شماتیکی از سلول خورشیدی پلیمری
انواع الکترود سلول خورشیدی پلیمـری
الکترودهای بر پایه پلیمرهای رسانا
از پلـی اسـتایرن سـولفونات دوپـه شـده بـه علـت شـفافیت و رسـانایی بـاال در سـاخت الکتـرود ســلول خورشــیدی و دیودهــای نشــر نــور آلــی اسـتفاده میشـود. بزرگتریـن مشـکل ایـن پلیمـر رسـانا بـرای کاربــرد بــه عنــوان الکترودهــای شــفاف رسـانا، ناپایــداری در محیـط مرطـوب، تحـت تابـش فرابنفـش و دماهـای بـالا اســت.
الکترود بر پایه نانوذرات طلا
از نانــو ذرات طـلا بــه علـت رسـانایی بالای الکتریکـی، پراکندگـی و توانایــی تنظیــم تابــع کار مــواد گرافنــی، در سـاخت الکتــرود شـفاف و رسـانای سـلول خورشـیدی اسـتفاده می شــود.
الکترود بر پایه نانوسیم های نقره
کولمـن و همکارانـش از فیلـم نانوسـیم نقـره بـه عنـوان الکتـرود اسـتفاده کردنـد و بـه شـفافیت 85 درصـد و مقاومـت صفحـه ای 13 رسیدند. الکتـرود حاصـل، منعطف بـوده، مقاومـت آن طـی 1000 دوره از فرآیند خمـش تغییــر چندانـی نکــرد.
در ســال 2014، میناکشی و همکارانــش از نانوســیم نقــره در ســاخت الکتــرود شــفاف رســانا اســتفاده کردنــد. آنهــا متوجــه شــدند کــه بــه علــت اکسـید شـدن نقـره در حضـور هـوا، الکتـرود حاصـل مقاومـت صفحـه ای بسـیار بالایی راداراست.
همچنین، در سـال 2011، مورگنسـترن و همکارانـش از نانوسـیم نقـره پوشـش داده شـده بـا نانـوذره اکسـید روی در سـاخت الکتـرود شـفاف و رسـانا برای سلول های خورشیدی اسـتفاده کردنـد. نانـو ذرات اکسـید روی مانـع اکسـید شـدن نانـو سـیمهای نقـره شـده، پایـداری شـیمیایی آنهـا را بـالا می بـرد.
الکترودهای برپایه گرافن
گرافیـت سـاختاری لایه لایه دارد کـه هـر کـدام از ایـن لایه ها بـا پیونـد ضعیـف واندروالسـی بــه هــم متصــل شــده اند.
مفهـوم گرافـن نخسـتین بـار در سـال 1947 توسـط فیلیـپ واالس مطــرح شــد.
گرافــن مــاده ای دو بعــدی بــا ضخامــت یــک لایه اتــم کربـن بـا اتصـالات هیبریـدیسـت کـه در آن چهارمیـن الکتــرون پیونــدی کربــن بــه عنــوان الکتــرون آزاد باقــی مانـده اسـت. علاوه براین، گرافـن تعـداد لایه های متفاوتـی دارد. گرافـن بـا ضخامـت یـک، دو و سـه لایه اتـم کربـن را بـه ترتیـب گرافـن تـک لایه، دو لایه و سـه لایه می گوینـد.
در سالهای اخیر، محققـان بـرای سـاخت الکتـرود منعطـف، بـه دنبـال جاگزیـن کــردن ایندیــوم قلــع اکسـید بــا دیگــر مــواد رسـانا هسـتند ایندیوم قلــع اکســید بــه طــور ذاتــی شـکننده اســت و در سـاخت سـلول خورشـیدی پلیمـری منعطـف ازآن نمی توان استفاده نمود.
نســل بعــدی الکترودهــای شـفاف رسـانا کــه جایگزیــن ایندیــوم قلــع اکسـید می شــوند بایــد شــفاف، رســانا و بــرای کاربــرد در دســتگاههای خمش پذیــر، منعطــف نیــز باشــند.
افزایش جذب سلولهای خورشیدی
در مقایسـه بــا سـلولهای خورشـیدی آلــی تــک جزئــی، سلولهای خورشـیدی آلــی دوجزئــی مزایــای متعــددی را نشــان دادنــد.
اگرچـه بـازده سـلولهای خورشـیدی آلـی دو جزئـی نسـبت بـه 20 سـال قبـل بهبـود یافته انـد، امـا هنـوز در سلول های خورشیدی آلــی دوجزئــی نقطه ضعف هایــی وجــود دارد.
سـلول های خورشـیدی آلـی سـه جزئـی
این گونه شـامل مـاده الکترون دهنــده، الکتــرون پذیرنــده و جــزء ســوم (آلــی یــا معدنــی، نیمـه هـادی یـا عایق)هسـتند.
در هشـت سـال اخیـر افـزودن جــزء ســوم توجــه زیــادی را بــه خــود جلــب کــرده، بــازده تبدیــل تــوان را به 11 درصــد افزایــش داده اســت.
در مقایســه بــا ترکیــب دو جزئــی، سلول های خورشیدی ســه جزئــی دارای مزایایــی هســتند:
- جــذب وســیع تر و قویتــر
- انتقــال بـار بیشـتر
- مسـیرانتقال بـار موثرتـر
- اسـتخراج بـار بهتـر در الکتــرود
- بهبــود پایــداری
ســازوکاری کــه فراینــد فتوولتائیـک را در سلول های خورشیدی ســه جزئــی کنتـرل می کنــد بســیار متفــاوت از ســلولهای خورشــیدی دوجزئـی معمــول اســت. در ســلول های خورشـیدی ســه جزئــی بــا توجــه بــه محــل قرارگیـری جــزء ســوم، فراینــد انتقــال بــار و انتقــال انــرژی متفـاوت اسـت.
ثبت یک رکورد تازه برای تولید برق از آفتاب
محققان با تولید و رشد دو نوع سلول خورشیدی متفاوت و تطبیق آنها با هم، شرایط بهینه کارآمدتری را برای جذب نیروی خورشید و تبدیل آن به نیروی برق ارائه داده اند.
یک جفت سلول خورشیدی با میزان کارایی 29/8 درصد، در تولید انرژی برق عمل کرده و نتایج قابل توجهی را نیز نشان داده اند. در این فرآیند از طریق ترکیب دو تکنولوژی سلول خورشیدی به نامهای ایندیم گالیوم فسفید به عنوان سلول بالایی و تکنولوژی ناهمگون سیلیکون کریستالی به عنوان سلول پایینی، فرایند تبدیل نور خورشید به الکتریسیته صورت می گیرد.
با استفاده از روش مذکور، دو طبقه از سلول های خورشیدی وارد عمل میشوند. نور غیر متمرکز خورشید را درخود جمع کرده و به طور متمرکز مورد بهره وری قرار می دهند و در نهایت نیز به تولید نیروی الکتریسیته می انجامد.
تطابق دو سلول خورشیدی در کنار هم چگونه است؟
- از آنجا که سلول ایندیم گالیوم در دستگاه مذکور، میزان کارایی 20/8 درصد را در جذب نور خورشید به دست آورده، به عنوان سلول خورشید بالایی در این دستگاه قرار گرفته است.
- اما نکته مهم در این فرآیند توجه به این مسئله است که یکی از مشکلات مهمی که در ساختن دستگاه خورشیدی وجود دارد، با توجه به خصوصیات سلول ایندیوم گالیوم ایجاد شده است.
- این سلول خورشیدی به دلیل متفاوت بودن ضرایب انبساط حرارتی و عدم تطابق ثبات شبکه ای خود، به راحتی نمی تواند برروی مواد سیلیکونی قرارداده شود.
- سلولهای بالایی و پایینی را توسط یک ماده چسبی به یکدیگر متصل کردند تا از اتصال مستقیم آنها جلوگیری شده باشد و همچنین انعطا ف پذیری خوبی را در مقابل بی نظمی های سطحی و ساختاری این دو سلول خورشیدی ایجاد کرده باشند.
در پایان این مجله لازم به ذکر است محققان بر این باور هستند که ساختن یک دستگاه خورشیدی متشکل از دو سلول خورشیدی ایندیم گالیوم و سیلیکون کریستالی، به منظور متمرکز کردن نور خورشید بسیار کارآمد است و در نهایت سلول های خورشیدیی روانه بازار خواهد شد که به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه تر است و همچنین بهره وری و کارآمدی بیشتری را نیز در پی دارند.
