شیوه‌ای متفاوت در تولید برق از انرژی خورشید

در دنیای تولید برق خورشیدی انجام هرگونه تلاشی برای تولید سیم‌های فوق‌العاده باریک جهت تبدیل نور خورشید به الکتریسیته به یک رویه هیجان‌انگیز تبدیل شده است اما در فناوری نوینی که هم‌اکنون در مراحل کاملا ابتدایی خود قرار دارد، شیوه‌ای موثر جهت افزایش راندمان کاری سیم‌ها ابداع شده که به عقیده کارشناسان کلید معمای به دست آوردن انبوهی از برق خورشیدی در آینده در خود دارد.

نکته عجیب و البته تا حد زیادی ناامیدکننده در زمینه استفاده از سیم‌ها برای تولید برق خورشیدی به راندمان بسیار ناچیز آنها مربوط است. تحقیقات نشان داده‌اند که این نوع سیم‌ها همواره از راندمانی بین یک تا 2 درصد برخوردارند که باید پذیرفت راندمان اصلا مناسبی نیست! ناتان لویس از شیمیدان‌های انستیتو فناوری کلتک در این خصوص می‌گوید: همواره این پرسش مطرح بوده که آیا می‌توان این راندمان را تا حد قابل‌توجهی افزایش داد؟ او ادامه می‌دهد: ما نشان داده‌ایم که این راندمان تا 3 درصد هم می‌رسد و البته مشخص شده است که هیچ دلیلی وجود ندارد تا به راندمانی بالاتر از 10 درصد فکر کنیم. البته این اعداد صرفا به گذشته مربوط می‌شوند و ما درحال صحبت کردن درباره آینده هستیم!

میکروسیم‌های سیلیکونی‌ که کمی از نسخه نانویی و شناخته‌شده‌تر خود بزرگتر هستند با استفاده از زیرلایه سیلیکونی‌ و البته ریز قطراتی از جنس طلا ساخته می‌شوند. در دماهای بالا، یک تک سیم به سرعت از تک قطره طلا جوانه می‌زند، دقیقا مشابه یک ساقه بسیار نازک علف. طلا کاتالیزور بسیار عالی برای رشد سیم است با این حال با ناخالصی‌هایی نیز همراه است. همین ناخالصی‌ها مشکلات زیادی را ایجاد می‌کنند که ازجمله آنها می‌توان به ایجاد موانعی بر سر راه انتقال الکترون‌ها درون سیم‌ها اشاره کرد. در نتیجه راندمان کاری سیم‌ها کاهش پیدا می‌کند.

لویس و تیم تحقیقاتی همراهش به استفاده از مس به جای طلا به عنوان یک کاتالیزور روی آوردند. نتیجه تقریبا دلگرم‌کننده بود چون آنها شاهد افزایش راندمان کاری سیم‌های جدید تا 2 برابر سیم‌های قبلی بودند. عقیده آنها بر این است که دلیل افزایش این راندمان کاری به خلوص بالاتر سیلیکون و قابلیت افزایش یافته انتقال الکترون در مقایسه با تلاش‌های قبلی و بخصوص زمانی که از طلا استفاده می‌شد باز می‌گردد. این یک شروع خوب بوده است. جایی که می‌توان به افزایش راندمان کاری سیم‌ها و رساندن آن به اعداد دو رقمی در آینده نیز امیدوار بود. آنها برای این‌که نشان‌دهند نتیجه تلاش‌هایشان تا چه حد امیدوارکننده بوده است، گزارشی منتشر کردند که در آن از رسیدن راندمان کاری سیم‌ها به عدد 4 خبر داده است. آنها در این زمینه از عبارت ( Packingباربندی) استفاده کرده‌اند. این عبارت در حقیقت مبنای اندازه‌گیری از میزان سطحی از هر ارائه است که نشان می‌دهد چه مقدار از آن با سیم‌ها پوشانده شده است. از این رو می‌توان گفت کسر باربندی 4 درصدی به معنای آن است که 96 درصد از سطح ارائه یاد شده از هیچ سیمی برخوردار نیست و به همین دلیل قابلیت دریافت نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسیته را ندارد. لویس معتقد است افزایش کسر باربندی به 15 تا 20 درصد موجب می‌شود تا راندمان کاری تولید برق خورشیدی به طرز خیره‌کننده‌ای افزایش پیدا کند.

البته برخی نسبت به ساده بودن این افزایش راندمان قابل‌توجه ابراز تردید کرده‌اند. به عنوان مثال ری لاپیر از دانشگاه مک مستر در انتاریو می‌گوید: اگر افزایش این راندمان کاری تا این حد آسان است چرا تا پیش از این انجام نشده است. او ادامه می‌دهد: از بعد تکنیکی افزایش کسر باربندی از طریق تکنیکی موسوم به فوتولیتوگرافی صورت می‌گیرد که معمولا برای تولید سلول‌های خورشیدی در ابعاد کلان و تجاری بسیار هزینه‌بر است. مشکل دیگری که لاپیر به عنوان یک تردید به آن نگاه می‌کند ظرفیت انتقال الکترون در سیم‌هاست. هنگامی که فوتون‌های نور خورشید به وسیله سیم‌ها به دام می‌افتند، الکترون‌هایی را تولید می‌کنند که باید در ادامه از این ماده (سیم) گریخته تا بتوانند جریان الکتریکی تولید کنند. اگرچه الکترون‌ها به راحتی در سطح سیم‌ها به دام می‌افتند با این حال راندمان آنها کاهش کلی پیدا می‌کند. برای تولید سلول‌های خورشیدی نازک فیلم باید بر این چالش بزرگ غلبه کرد. این چالش زمانی که صحبت از سیم‌های بسیار نازک و نزدیک به ابعاد نانویی است به مراتب حادتر می‌شود.

سیم‌هایی که لویس و تیم تحقیقاتی همراهش در محیط آزمایشگاهی تولید کرده‌اند 6/1 میکرومتر ضخامت دارند و در عین حال از قابلیت بالایی در انتقال الکترون‌ها برخوردارند. همین مشخصه‌ها موجب شده تا آینده استفاده از آنها روشن باشد. هزینه‌ای که برای تولید این سیم‌ها به کار گرفته می‌شوند در کل پایین بوده و این به معنای آن است که می‌توان مستقیما آنها را به عنوان الکترود جهت فرآیند هیدرولیز کردن آب به کار گرفت.

محققان بر این عقیده‌اند که فناوری میکروسیم‌های خورشیدی هنوز در ابتدایی‌ترین مراحل توسعه خود قرار دارند و نمی‌توان گفت به این زودی‌ها به عنوان رقیبی جدی برای فیلم‌های باریک خورشیدی که کاربرد نسبتا گسترده‌ای پیدا کرده‌اند خودنمایی کنند. فیلم‌های باریک خورشیدی نسبتا ارزان‌قیمت بوده و راندمان کاری بین 10 تا 12 درصد دارند. این در حالی است که سیلیکون به عنوان یک ماده خام شناخته شده که در تولید سیم‌های یاد شده به کار گرفته می‌شود نسبت به مواد دیگری نظیر کادمیوم که در ساخت فیلم‌های نازک امروزی به کار گرفته می‌شوند در طبیعت یافت می‌شوند. این به معنای آن است که مقدمات کار فراهم است اما توسعه آن هنوز به زمان زیادی نیاز دارد. برخی محققان زمانی بین 10 تا 15 سال آینده را به عنوان سرآغاز تولید انبوه و تجاری این دسته از سیم‌ها عنوان می‌کنند. تا آن زمان پیش‌بینی می‌شود با کمک گرفتن از سایر فناوری‌های مرتبط راندمان مورد نظر دانشمندان باز هم افزایش پیدا کند. 15 تا 20 سال آینده زمانی است که صنایع الکترونیک جهان پیشرفت خیره‌کننده‌ای یافته و البته بستر مناسبی نیز برای خودنمایی این دسته از سیم‌های تولیدکننده برق فراهم شده است.

حمیده حسینی
منبع: technology review