تلاش برای تولید سلول‌های خورشیدی بهینه

موبنا؛ محمدمهدی حیدرپور – عملکرد اصلی سلول های خورشیدی برداشت نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسیته یا برق است. بر همین اساس، طراحی فیلمی که نور را بر سطح سلول خورشیدی جمع آوری می کند باید باید به گونه ای باشد تا بیشترین میزان انرژی جذب شود. در تلاش برای توسعه سلول های خورشیدی کارآمدتر، رقابتی شدید میان دانشمندان برای یافتن کم هزینه‌ترین و پر بازده‌ترین مواد در این زمینه شکل گرفته است.

در مسیر نیل به این هدف تیمی از دانشمندان دانشگاه UCLA بهبود بازده مواد فیلم جدیدی را در دستور کار خود قرار داده اند که می تواند فناوری سلول خورشیدی را متحول کند. این تیم به رهبری پرفسور “یانگ یانگ”، استاد مهندسی، اخیرا دو مطالعه را منتشر کرده اند که در آنها به افزایش توان بازده تبدیل مواد Kesterite و Perovskite برای ساخت سلول های خورشیدی بسیار کارآمد و کم هزینه اشاره شده است. 

Kesterite

Kesterite یک ماده غیرآلی (از گیاهان یا حیوانات ناشی نمی شود) است که از مواد مختلفی مانند مس، روی، قلع و گوگرد شکل می گیرد. تیم UCLA روشی را توسعه داده اند تا تبدیل نور خورشید به برق از طریق کنترل ترکیب و پراکندگی نانوکریستال های Kesterite در یک جوهر که برای ساخت فیلم مورد استفاده در سلول خورشیدی به کار گرفته می شود را افزایش دهد.

تیم پرفسور یانگ طی مقاله ای که در نشریه “ای سی اس نانو” منتشر شده توانایی خود در کنترل و ارتقا ترکیب فضایی و توزیع نانوکریستال های موجود در جوهر Kesterite با تکنیکی پایدار و تکرارپذیر را نشان داده اند.

به گفته “هوان پینگ ژو”، دانشجوی فوق دکترا و یکی از مولفان مطالعه اخیر، دستگاه از مس، روی و قلع استفاده می کند و تیم پژوهشی قادر به کنترل نرخ عناصر برای ساخت هر چه بهتر نانوکریستال ها بوده اند. یکی از مشکلات گذشته عیوب بیش از حد در فیلم سلول خورشیدی به واسطه مشکل توزیع عنصر بود. اما در حال حاضر ترکیب نانوکریستال ها به روشی صورت می گیرد که عناصر فضایی و توزیع در فیلم را به دقت کنترل می کند. از این رو، پژوهشگران امکان به حداکثر رساندن بهره‌وری سلول خورشیدی را دارند.

به گفته یانگ، تیم وی قادر به انجام یک فرآیند انحلال کامل با مواد بوده است. این به معنای آن است که تمامی لایه های عنصر سلول خورشیدی مورد نیاز – لایه جاذب، الکترود، غیره – حالت مایع داشته و قابلیت اسپری شدن یا رنگ زدن روی یک سطح برای تبدیل آن به سلول خورشیدی را دارند. این سطح می تواند سقف یک خودرو الکتریکی، دیوارهای بیرونی یک ساختمان، پنجره یا سقف باشد. این در شرایطی است که Kesterite بسیار پایدار بوده و مس، روی و قلع نیز عناصری ارزان قیمت و در دسترس هستند.

Perovskite

Perovskite ماده هیبریدی آلی و غیر آلی است که کربن و سرب را ترکیب می کند. از آن جایی که Perovskite پنج سال پیش به عنوان یک ماده سلول خورشیدی مورد استفاده قرار گرفت، بهبودهای صورت گرفته افزایش بازده تبدیل نیروی آن به نزدیک ۲۰ درصد را موجب شده اند.

به گفته “کی چن”، دانشجوی فوق دکترا و یکی از مولفان مطالعه اخیر، تولید Perovskite بسیار کم هزینه است و ماده ای بسیار نازک – یک هزارم ضخامت سلول خورشیدی سیلیکونی عادی – محسوب می شود. انعطاف پذیری Perovskite بالا بوده و به عنوان مثال می توان آن را از دیوار آویزان کرد و یا در ساخت یک مزرعه خورشیدی به کار گرفت.

ماده Perovskite نیز ابتدا در قالب یک جوهر مایع شکل می گیرد و دانشمندان پویایی آن را طی فرآیند رشد که در هوایی با دمای پایین صورت می گیرد به دقت کنترل می کنند. این مساله تولید ارزان دستگاه های Perovskite با سطوح عملکرد بالا را موجب می شود.

از آن جایی که Perovskite فعلا در مواجهه با هوا ناپایدار است و با گذشت زمان شرایط بدتری می یابد، پژوهشگران روی پایداری بلند مدت به منظور با ثبات کردن آن کار می کنند. در شرایطی که سرب عنصری سمی محسوب می شود، مواد Perovskite فاقد سرب و دوستدار محیط زیست موضوعی جذاب در آینده خواهند بود.