سلول‌های خورشیدی در سایه نانوفناوری

از این‌رو به نظر می‌رسد گسترش منابع تجدیدپذیر انرژی با هدف کاهش میزان انتشار گازهای آلاینده و بویژه دی‌اکسید‌کربن به‌عنوان متهم اصلی آلودگی هوا در کلانشهرها بیش از پیش ضرورت دارد. انرژی خورشیدی از منابع رایگان، پاک و عاری از هرگونه آلودگی است که پیامدهای زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی را به حداقل ممکن می‌رساند. این منبع انرژی از دیرباز مورد استفاده بشر قرار گرفته است.

در سال‌های اخیر با توجه به ضرورت جایگزینی منابع سوخت پاک و تجدیدپذیر، طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی به‌عنوان وسیله‌ای برای تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته و بدون نیاز به منبع ولتاژ خارجی در بسیاری از پژوهشگاه‌ها و دانشگاه‌ها مورد توجه محققان قرار گرفته است.

نسل چهارم سلول‌های خورشیدی در مسیر تولید

به‌طور کلی می‌توان کاربرد سلول‌های خورشیدی را در تامین نیروی حرکتی ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی، تامین انرژی لازم برای ابزارهایی مانند ماشین‌حساب و ساعت که به ولتاژ کمی نیاز دارد و همچنین تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق‌های کوچک خلاصه کرد. یکی دیگر از کاربردهای سلول‌های خورشیدی تهیه برق شهر توسط نیروگاه‌های فتوولتائیک است.

در ساخت سلول‌های خورشیدی از مواد مختلفی استفاده می‌شود که بر این اساس عملکرد و هزینه ساخت سلول‌های خورشیدی متفاوت خواهد بود. این سلول‌ها به‌گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شوند که طول موج‌های نور خورشید را که به سطح زمین می‌تابد، با بازده بالا به انرژی مفید تبدیل می‌کنند. امروزه بیشترین سلول‌های خورشیدی تجاری از سیلیکون ساخته می‌شوند و این در حالی است که استفاده از سیلیکون در ساخت سلول‌های خورشیدی با توجه به قیمت بالای آن با محدودیت‌هایی همراه است. سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ نمونه‌ای جدید از سلول‌های خورشیدی است که با هدف کاهش هزینه‌ها و افزایش عملکرد طراحی و ساخته شده است. تولید این گروه از سلول‌های خورشیدی در مقایسه با سلول‌های خورشیدی معدنی هزینه کمتری دارد و سبک و انعطاف‌پذیر است.

با توجه به هزینه‌های پایین، نبود پیچیدگی‌های ساختاری، بازده خوب و پایداری طولانی مدت سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ، در دو دهه اخیر پیشرفت‌های قابل توجهی را در حوزه این فناوری شاهد بوده‌ایم. در کشور ما نیز در این حوزه تحقیقاتی انجام شده است. بتازگی گروهی از محققان دانشگاه صنعتی اصفهان در تحقیقات خود موفق به ساخت نانوکامپوزیتی شده‌اند که می‌تواند در ساخت فوتوکاتالیست‌های حساس به نور کاربرد داشته باشد.

دکتر محمدحسین حبیبی، عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی اصفهان در توضیح این طرح تحقیقاتی این‌طور می‌گوید: سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ نمونه‌ای از سلول‌های خورشیدی ارزان‌قیمت است. اساس کار این سلول خورشیدی یک نیمه رساناست که از یک آنُد حساس به نور و یک محلول الکترولیت تشکیل می‌شود. جذب نور توسط یک ماده رنگی موجب برانگیخته شدن الکترون‌ها می‌شود.

در این سلول‌های خورشیدی یک چرخه انتقال الکترون ایجاد می‌شود که الکترولیت در آن نقش مهمی دارد و درنهایت در این چرخه الکترون‌ها به مولکول‌های رنگ باز می‌گردند. به این ترتیب نور خورشید توسط این سلول‌های خورشیدی به الکتریسیته تبدیل می‌شود.

وی درباره ویژگی متمایز سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ می‌گوید: این سلول‌های خورشیدی که اکنون در بازار عمدتا از جنس سیلیکون است. از آنجا که باید در ساخت این گروه از سلول‌های خورشیدی از سیلیکون خالص 99.999 استفاده شود، ساخت این سلول‌ها مستلزم بهره‌گیری از فناوری بسیار پیچیده‌ای است و اکنون ما در کشور به این فناوری دسترسی نداریم. از سوی دیگر این فناوری با معایبی نیز همراه است.

یکی از این معایب این است که بشدت آلوده‌کننده محیط‌زیست است. علاوه بر این راندمان این گروه از سلول‌های خورشیدی پایین است و تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی با این سلول‌های خورشیدی اقتصادی نیست. به همین علت ایده ساخت سلول‌های خورشیدی نسل دوم و سوم با هدف از میان برداشتن این محدودیت‌ها مورد توجه قرار گرفته است. این سلول‌های خورشیدی که ما در این دانشگاه درباره آنها تحقیقاتی را انجام داده‌ایم، سلول‌های خورشیدی نسل چهارم است که حساس به رنگ هستند و معایب و مشکلات سلول‌های خورشیدی سیلیکونی را ندارند. به طور کلی ساخت سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ به فناوری پیچیده‌ای نیاز ندارد و می‌توان در هر آزمایشگاهی آنها را تولید کرد.

علاوه بر این نسل چهارم سلول‌های خورشیدی از نظر عملکرد نیز وضع مناسبی دارند و پیامدهای زیست محیطی همراه ندارند. به همین دلیل این طرح تحقیقاتی در دانشگاه صنعتی اصفهان مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به این که ترکیبات نانوساختار راندمان بالایی دارند به نظر می‌رسد استفاده از این ترکیبات در ساخت سلول‌های خورشیدی می‌تواند راهکار مناسبی برای افزایش راندمان سلول‌های خورشیدی باشد. از بین ترکیبات نانوساختار، نانوکامپوزیت‌ها را با هدف افزایش بهره‌وری انتخاب کرده‌ایم. یکی از مشکلات این سلول‌های خورشیدی است که در آنها بازترکیب یا تبدیل الکترون ـ حفره بالاست و باید به روشی مانع از ایجاد این بازترکیب شویم تا بتوانیم بهره‌وری سلول‌های خورشیدی را افزایش دهیم.

از آزمایشگاه تا تولید صنعتی

عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی اصفهان با اشاره به نقش نانوکامپوزیت‌ها در افزایش عملکرد سلول‌های خورشیدی می‌افزاید: نانوکامپوزیتی که در این طرح تحقیقاتی از آن استفاده کرده‌ایم نانوکامپوزیت مس ـ کبالتیت است. سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ ترکیبات نیمه‌هادی هستند و خودشان نور مرئی را نمی‌توانند جذب کنند به همین علت روی این ترکیبات نیمه‌هادی پوشش رنگی قرار می‌دهیم تا بتواند نور مرئی خورشید را جذب کند. این رنگ‌ها آلی هستند و رنگ‌های صنعتی در ساخت این سلول‌های خورشیدی قابل استفاده نیست. این پوشش رنگی می‌تواند محدوده وسیعی از تابش نور خورشید را جذب کند و بر این اساس عملکرد سلول‌های خورشیدی افزایش پیدا می‌کند. از این سلول‌های خورشیدی همان‌طور که از نامشان پیداست در ساخت پنل‌هایی استفاده می‌شود که نورخورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

اگر این طرح به مرحله صنعتی برسد می‌تواند در کاهش هزینه‌های تولید سلول‌های خورشیدی نقش بسیار مهمی داشته باشد؛ البته رسیدن به این موفقیت مستلزم از میان برداشتن محدودیت‌های علمی موجود است. اکنون از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی استفاده می‌شود و سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ هنوز وارد بازار نشده است. همچنان محدودیت‌های علمی وجود دارد که باید بتدریج این محدودیت‌ها را از میان برداشت. به این ترتیب می‌توان گفت سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ جایگزین مناسبی برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی خواهد بود که نه تنها تولید آن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است، بلکه در هر آزمایشگاهی قابل تولید است و آلودگی محیط‌زیستی به همراه ندارد.

نخستین قدم از میان برداشتن محدودیت‌های علمی است. محققان در سراسر دنیا در تلاش هستند در آینده‌ای نزدیک این محدودیت‌ها را از میان برداشته و این سلول‌های خورشیدی نسل چهارم را به مرحله تولید صنعتی برسانند.

وی با اشاره به ضرورت رفع موانع و محدودیت‌های موجود در این زمینه می‌گوید: اکنون این سلول‌های خورشیدی در شرایط آزمایشگاهی تولید شده و مورد آزمایش قرار گرفته است. برای رسیدن به این مرحله صنعتی باید محدودیت‌های علمی برطرف شود. در این سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ برخلاف سلول‌های خورشیدی سیلیکونی که بهره‌وری آنها حدود 30 تا 40 درصد است از نظر تئوری هیچ محدودیتی برای افزایش عمکرد و بازده آنها وجود ندارد، اما باید موانع و مشکلات موجود برطرف شود تا بتوان در عمل نیز به چنین قابلیتی دست پیدا کرد.

در دنیا هنوز محققان نتوانسته اند سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ با چنین بهره‌وری تولید کنند. از نتیجه نهایی این طرح تحقیقاتی می‌توان در صنایع مختلف از صنایع الکتریکی تا صنایع شیمیایی بهره گرفت. با توجه به کمبود منابع سوخت‌های فسیلی و آلودگی ناشی از این سوخت‌های استفاده از انرژی خورشیدی به‌عنوان منبعی ارزان و پاک مورد توجه قرار گرفته است.

سلول‌های خورشیدی بدون ایجاد آلودگی انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و باید در ساخت آنها از موادی استفاده کرد که در دسترس و ارزان قیمت باشد، کارایی بالایی داشته باشد و آلودگی‌های زیست محیطی همراه نداشته باشد. بررسی‌های انجام شده نشان داده است نانوکامپوزیت تولید شده می‌تواند در افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی تاثیرگذار باشد.

فرانک فراهانی‌جم / گروه دانش