انقلابی در فناوری سلول های خورشیدی
هوا فضا: اصفهان سلول های خورشیدی پروسکایتی و ترکیبی با بازدهی بالا، همراه با فناوری های نانو و BIPV، مسیر آینده انرژی خورشیدی را متحول می کنند.
در سالیان اخیر، با افزایش نگرانی ها درباره ی تغییرات اقلیمی و کاهش منابع انرژی فسیلی، توجه جهانی به انرژی های تجدیدپذیر بطور شایان توجهی بالا رفته است. در بین این منابع، انرژی خورشیدی به علت فراوانی، دسترسی سهل و پتانسیل بالای تولید برق پاک، جایگاه ویژه ای پیدا کرده است. سلول های خورشیدی به عنوان یکی از اصلی ترین فناوری های تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، نقشی کلیدی در این تحول ایفا می کنند. با این وجود، بهینه سازی عملکرد سلول های خورشیدی و افزایش بازده آنها همیشه یکی از چالش های مهم در راه توسعه این فناوری بوده است.
پیشرفت های علمی و فنی در عرصه مواد، طراحی های مهندسی و تکنولوژی های جدید، قدمهای موثری در بهبود عملکرد سلول های خورشیدی برداشته اند. محققان همیشه در تلاش اند تا با بهره گیری از مواد جدید، طراحی های کارآمدتر و راهکارهای فناورانه، بازده سلول های خورشیدی را بالا برند و هزینه های تولید آنها را کاهش دهند. علاوه بر این، توسعه راهکارهای نوین برای افزایش راندمان این فناوری در وضعیت محیطی نامطلوب، ادغام آن با سیستم های دیگر و کاهش اثرات زیست محیطی، از موضوعات مهم و مورد توجه در این حوزه می باشد.
هم زمان با رشد فناوری های در رابطه با انرژی خورشیدی، ادغام این فناوری در عرصه های مختلف نیز درحال گسترش است. از ساختمان های هوشمند گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه های قابل حمل، سلول های خورشیدی به عنوان منبعی پایدار و پاک درحال نقش آفرینی هستند. این روند نشان دهنده ظرفیت بالای انرژی خورشیدی در تامین قسمتی از نیازهای بیش از پیش انرژی جهان است.
با وجود پیشرفت های فراوان، هنوز چالش هایی در راه توسعه این فناوری وجود دارد. پژوهشگران در تلاش اند که با یافتن راهکارهای نوآورانه، محدودیت های موجود را برطرف کرده و زمینه ساز استفاده گسترده تر از انرژی خورشیدی در آینده ای پایدار شوند.
رضا کشاورزی، عضو هیات علمی گروه شیمی معدنی دانشگاه اصفهان که از محققان طراحی سلول های خورشیدی فوتوولتائیک پروسکایتی با همکاری محققان دانشگاه کالج لندن و آکادمی علوم چین در سالیان اخیر است، به ایسنا می گوید: فناوری سلول های خورشیدی بر پایه استفاده از مواد مختلفی استوار است که هر یک خاصیت های منحصربه فردی دارند و بر بازده و عملکرد کلی این سلول ها تأثیر می گذارند. هم اکنون، سه نوع اصلی از سلول های خورشیدی شامل سلول های خورشیدی سیلیکونی، سلول های خورشیدی لایه نازک کادمیوم تلوراید و سلول های خورشیدی پروسکایتی بیش ترین توجه را به خود جلب کرده اند.
وی می افزاید: سلول های خورشیدی سیلیکونی، رایج ترین و پرکاربردترین نوع در بازار امروز، از سیلیکون تک کریستال به عنوان ماده اصلی بهره می برند. ساختار منظم کریستالی این ماده موجب می شود تا الکترون ها مسیر مشخصی برای حرکت داشته باشند و در نتیجه بازده تبدیل انرژی افزایش یابد. در مقابل، سلول های خورشیدی لایه نازک که عمدتا از کادمیوم تلوراید تشکیل شده اند، به علت امکان تولید در قالب های منعطف و هزینه ساخت کمتر، مورد توجه قرار گرفته اند. این سلول ها قابلیت استفاده در کاربردهای متنوعی را دارند که در آنها انعطاف پذیری و سبکی از اهمیت ویژه ای برخوردارست.
بازدهی ۳۰ درصد سلول های خورشیدی ترکیبی
عضو هیات علمی گروه شیمی معدنی دانشگاه اصفهان با اعلان اینکه از طرف دیگر، سلول های خورشیدی پروسکایتی که در سالیان اخیر پیشرفت شایان توجهی داشته اند، به علت توانایی فوق العاده در جذب نور، به گزینه ای نویدبخش برای آینده تبدیل گشته اند، ادامه می دهد: این سلول ها قادرند بخش بزرگی از طیف نوری خورشید را جذب کرده و بازده بالاتری را نسبت به خیلی از فناوری های موجود عرضه کنند. بتازگی ترکیب سلول های خورشیدی سیلیکونی و پروسکایتی نیز مورد توجه قرار گرفته است. این سلول های ترکیبی که بازدهی بالاتر از ۳۰ درصد دارند، نشان دهنده قدمی بزرگ در افزایش کارآیی فناوری های خورشیدی هستند.
کشاورزی با اشاره به این که افزون بر نوع مواد مورد استفاده، استفاده از لایه های ضد بازتاب نیز اهمیت بالای ی در افزایش بازدهی سلول های خورشیدی ایفا می کند، بیان می کند: این لایه ها با کاهش انعکاس نور و هدایت بیشتر آن به داخل سلول، راندمان نوری را به میزان قابل توجهی می افزایند. همچون مهم ترین مواد مورد استفاده در این لایه ها می توان به سیلیکا، سیلیکون نیترید و منیزیم فلوراید اشاره نمود که همگی بصورت پوشش هایی نازک بر سطح بیرونی پنل های خورشیدی اعمال می شوند. عملکرد این لایه ها به شکلی است که مانع از بازتاب بخش قابل توجهی از نور خورشید شده و در نتیجه، میزان نوری که توسط سلول جذب و به الکتریسیته تبدیل می شود، افزایش خواهد یافت. بدین ترتیب، پیشرفت در عرصه مواد و طراحی سلول های خورشیدی، قدمی اساسی در راه افزایش بازدهی و بهینه سازی عملکرد این فناوری شمرده می شود. انتخاب مواد مناسب و استفاده از مهارتهای پیشرفته در پایین آوردن تلفات نوری و الکترونی، بطور مستقیم بر راندمان و کارایی این سلول ها تأثیر گذاشته و آینده ای روشن تر برای انرژی خورشیدی رقم خواهد زد.
وی اظهار می کند: طراحی مهندسی پنل های خورشیدی می تواند تأثیر قابل توجهی بر جذب بیشتر نور خورشید داشته باشد. یکی از مهم ترین عوامل، بهینه سازی زاویه و موقعیت پنل های خورشیدی است. قرار دادن پنل ها رو به جنوب و تنظیم زاویه مناسب آنها برای برخورد مستقیم نور خورشید، می تواند کارآیی سیستم را بطور شایان توجهی افزایش دهد، همین طور درنظر گرفتن راهکارهایی برای نگهداری و تمیز کردن منظم پنل ها در طراحی اولیه، می تواند به حفظ کارآیی بالای سیستم در طی زمان کمک نماید. این عوامل در کنار انتخاب مواد و تکنولوژی های مناسب در ساخت پنل ها مانند استفاده از پوشش های ضدبازتاب و بلورهای فوتونی، می توانند بطور قابل توجهی جذب نور خورشید و در نتیجه تولید انرژی را بالا برند.
دکترای شیمی معدنی می گوید: فناوری نانو در سالیان اخیر پیشرفت های قابل توجهی در بهبود عملکرد سلول های خورشیدی به وجود آورده و استفاده از نانوذرات مانند نقاط کوانتومی و نانوذرات طلا و نقره موجب افزایش جذب نور خورشید شده، همین طور توسعه نانوپوشش های خودتمیزشونده و ضد انعکاس به افزایش تولید انرژی کمک کرده است. پیشرفت های دیگر شامل ساخت سلول های خورشیدی بطورکامل شفاف است. در هر حال، این پیشرفت ها منجر به معرفی نسل جدیدی از سلول های خورشیدی مبتنی بر نانوساختارها شده که شامل انواع پروسکایتی، رنگدانه ای، نقاط کوانتومی و پلیمری می شود.
کشاورزی درباره ی این که یکپارچه سازی سلول های خورشیدی با مصالح ساختمانی (مانند شیشه های هوشمند یا نمای ساختمان ها) ممکن است یا خیر می افزاید: این امکان وجود دارد و این فناوری درحال پیشرفت است که با عنوان BIPV شناخته می شود.
وی با اعلان اینکه BIPV (Building-Integrated Photovoltaics) فناوری یکپارچه سازی سلول های خورشیدی با عناصر معماری ساختمان مانند پنجره ها، درب ها، سقف ها و دیوارهاست، ادامه می دهد: این سیستم علاوه بر تولید برق، وظایف پوششی ساختمان مانند محافظت در مقابل آب و هوا، عایق حرارتی و صوتی را نیز انجام و به عنوان قسمتی از ساختار خارجی ساختمان، زیبایی آنرا نیز می افزاید.
عضو هیات علمی دانشکده شیمی دانشگاه اصفهان اضافه می کند: روش های نوین برای افزایش کارآیی سلول های خورشیدی در وضعیت کم نور شامل توسعه سلول های پروسکایتی با قابلیت جذب نور بالا و ترکیب آنها با سلول های سیلیکونی است که بازدهی را تا بالاتر از ۳۰ درصد می افزایند.
کشاورزی می گوید: سلول های خورشیدی درحال پیشرفت قابل توجهی برای تولید انرژی در وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه های قابل حمل هستند. در مورد خودرو های برقی، شرکت هایی مانند تویوتا و بی ام دبلیو درحال آزمایش نسل جدیدی از سلول های خورشیدی هستند که می توانند انرژی خورشیدی را با بازدهی بالا به برق تبدیل کنند. تویوتا در نسخه های جدید از یک سلول خورشیدی نواری استفاده می نماید که می تواند روی سطح خودرو کشیده شود تا راندمان سیستم ارتقا یابد. این نوار نازک می تواند روی انحناهای خودرو در سقف، کاپوت و درب صندوق عقب به آسانی بنشیند. بطور کلی، استفاده از سلول های خورشیدی منعطف امکان نصب آنها را روی سطوح منحنی خودرو مثل سقف و کاپوت فراهم می آورد. سلول های خورشیدی پروسکایتی و لایه نازک بر پایه کادمیوم تلوراید به علت قابلیت لایه نشانی روی سطوح منعطف می توانند این نقش را ایفا کنند.
تا سال ۲۰۵۰ چندین تن پنل خورشیدی به آخر عمر خود می رسند
وی با عنایت به این که تولید صنعتی سلول های خورشیدی با بازده بالا و هزینه پایین نیازمند ترکیب فناوری های پیشرفته(مانند ترکیب سلول های خورشیدی پروسکایتی و سیلیکونی)، بهینه سازی فرایندها و تولید انبوه است، می گوید: تولید در مقیاس انبوه با بهره گیری از خطوط تمام اتوماتیک(کاهش ۴۰٪ هزینه های تولید) برای کاهش خطای انسانی و افزایش سرعت، نقش کلیدی دارد، همین طور بهینه سازی زنجیره تامین مواد اولیه(مانند خرید عمده و در دسترس بودن) هزینه ها را کم می کند. کنترل کیفیت چندمرحله ای شامل تست های عملکردی و پایداری سنجی تحت شرایط مختلف جوی نیز برای حفظ استانداردهای بازده لازم است.
این استاد دانشگاه اظهار می کند: با عنایت به این که تا سال ۲۰۵۰، چندین میلیون تن پنل خورشیدی به آخر عمر خود خواهند رسید، برنامه ریزی برای بازیافت این پنل ها به یکی از دغدغه های مهم فعالان محیط زیست تبدیل گشته است. روش های بازیافت شامل جداسازی قطعات مختلف پنل ها مانند قاب آلومینیومی، شیشه و ماژول های سیلیکونی است. برای ماژول های سیلیکونی، از روش آسیاب کردن و جداسازی مواد استفاده می شود که حدود ۸۰ درصد قطعات را قابل بازیافت می کند. برای ماژول های غیر سیلیکونی، از محلول های شیمیایی برای جداسازی مواد نیمه رسانا می توان استفاده کرد. این اقدامات به حفظ محیط زیست و استفاده مجدد از مواد باارزش کمک می نماید.
کشاورزی بیان می کند: سلول های خورشیدی ارگانیک(OPV) و پروسکایتی به علت خاصیت های نوآورانه خود، پتانسیل جایگزینی فناوری های سنتی انرژی خورشیدی را دارند. سلول های ارگانیک با بهره گیری از مواد آلی و فرایندهای تولید کم هزینه، انعطاف پذیری بالا، وزن سبک و قابلیت کاربرد در سطوح مختلف، گزینه ای جذاب برای کاربردهای متنوع مانند پنجره های شفاف و دستگاه های پوشیدنی هستند. هرچند بازده فعلی آنها نسبت به سلول های سیلیکونی پایین تر است، اما پیشرفت در افزایش بازده و پایداری این فناوری می تواند آنرا به گزینه ای رقابتی برای آینده تبدیل کند.
وی ادامه می دهد: از طرف دیگر، سلول های پروسکایتی با راندمان بالا(بیش از ۳۰ درصد در ترکیب با سیلیکون) و هزینه تولید پایین، توجه گسترده ای را به خود جلب کرده اند. این سلول ها به علت انعطاف پذیری و قابلیت تولید انبوه، می توانند در کاربردهایی مانند ساختمان ها و دستگاه های الکترونیکی جایگزین پنل های سیلیکونی شوند. با این وجود، چالش هایی مانند ناپایداری و تأثیرات زیست محیطی مواد مورد استفاده هنوز مانع تجاری سازی گسترده آنها است. با ادامه تحقیقات برای حل این محدودیت ها، سلول های پروسکایتی نقش کلیدی در تحول انرژی پاک آینده ایفا خواهند کرد و پیش بینی می شود تا سال ۲۰۳۰ سلول های خورشیدی پروسکایتی وارد بازار شوند و بخش اعظم تجارت مربوط به صنعت فوتوولتائیک را به خود اختصاص دهند.
عضو هیات علمی دانشگاه اصفهان می افزاید: سیستم های ذخیره انرژی را می توان برای سازگاری بهتر با سلول های خورشیدی بوسیله چندین استراتژی بهینه کرد. ادغام اینورترهای هوشمند با قابلیت های کنترل بهبودیافته می تواند عملکرد، کارآیی و قابلیت اطمینان سیستم های ذخیره سازی خورشیدی را افزایش دهد.
کشاورزی با اعلان اینکه به کارگیری باتری های LiFePO۴ می تواند مزایای قابل توجهی همچون ایمنی پیشرفته، طول عمر بیشتر و اثرات زیست محیطی کمتر را فراهم آورد، می گوید: این باتری ها به علت عملکرد پایدار در وضعیت آب و هوایی مختلف و چرخه های شارژ طولانی تر، گزینه مناسبی برای سیستم های ذخیره سازی انرژی خورشیدی هستند. علاوه بر این، مدیریت هوشمندانه شارژ و تخلیه سیستم ذخیره سازی برای کار در وضعیت بار پایه و دوره های با قیمت برق بالا، می تواند به افزایش کارآیی و سودآوری سیستم کمک نماید.
به گزارش هوا فضا به نقل از ایسنا، پیشرفت های اخیر در فناوری سلول های خورشیدی، همچون ترکیب سلول های پروسکایتی و سیلیکونی، توسعه نانومواد و یکپارچه سازی با معماری ساختمان (BIPV)، نویدبخش افزایش بازدهی و کاهش هزینه های تولید است. در عین حال، چالش هایی همچون پایداری سلول های پروسکایتی و بازیافت پنل های فرسوده، نیازمند مطالعه و راهکارهای نوآورانه است. با ادامه این مسیر، پیش بینی می شود که تا سال ۲۰۳۰، سلول های خورشیدی پروسکایتی سهم عمده ای از بازار انرژی تجدیدپذیر را به خود اختصاص دهند و تحولی اساسی در تامین انرژی پایدار ایجاد کنند.
منبع: aero-space.ir
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب