پیشرفت پنل های خورشیدی با استفاده از تکنولوژی های جدید

امروزه علی رغم پیشرفتهای بسیار زیاد، انرژی خورشیدی در حدود 1% از انرژی های کل جهان را تامین می کند. سازمان جهانی انرژی (IEA) اعلام کرده است، که بخش اعظم این انرژی نیز از طریق صفحه های خورشیدی نصب شده بر روی بام، بدست می آیند.

حال سوال این است که چگونه می توانیم از موقعیت فعلی، به موقعیت بهتری دست یابیم؟

بنابر پاسخ دانشمندان و مهندسان، پاسخ این سوال در نسل جدیدی از پنل های خورشیدی است که هم کارایی بهتری دارند و هم بسیار کم هزینه تر هستند. هر روز از گوشه و کنار خبر طراحی و تولید مواد جدیدی برای استفاده در پنل های خورشیدی به گوش می رسد که کارایی بهتری نسبت به مدلهای قدیمی دارند. اگرچه این تحقیقات و پیشرفتها هنوز به جایی که مهندسان و دانشمندان مدنظر دارند، نرسیده است، اما مخترعان در حال مطالعه و ساخت نسل جدیدی از مواد هستند که بتوانند کارایی مدنظر را داشته باشد و راندمان آنان بسیار بهتر از صفحه های خورشیدی سیلیکونی امروزی باشد.

در میان این تکنولوژی ها، تکنولوژی جدیدی قرار دارد که از صفحات متقاطع تشکیل شده است، که هر کدام تله نور مخصوصی دارند و قادرند تا طول موج خاصی را جذب نمایند. این صفحات از مواد نیمه رسانا و فوق العاده کارامدی مانند پروسکایت یا آرسینید گالیوم ساخته شده اند و یا نوعی از سلولهای خورشیدی می باشند، که دارای "نقاط کوانتومی" کوچک اما بسیار قدرتمندی هستند. اما هنوز موانع تکنیکی برای ساخت این نوع پنلها وجود دارد. با این حال محققان نسبت به این تحقیقات بسایر امیدوارند و می گویند طی یک یا دو دهه بعدی نسل پنلهای خورشیدی بسیار پیشرفت خواهد کرد.

تقویت کارایی سلولهای خورشیدی برای افزایش نقش انرژی خورشیدی در تامین انرژی جهان، اهمیت بسزایی دارد. صفحه های خورشیدی در حال حاضر جای رشد بسیاری دارند. اغلب پنلهای خورشیدی امروزی که از جنس بلور سیلیکون هستند، تنها توانایی تبدیل 16% از انرژی دریافتی به برق را دارند. انواع دیگر پنلها که از جنس کادمیوم تلورید(Cd-Te) یا مس ایندیم گالیم سلنید (CIGS) هستند بین 12 تا 15 درصد از انرژی دریافتی را به برق تبدیل می کنند. به همین دلیل دانشمندان بسیار در تلاش هستند تا مقدار بیشتری از انرژی دریافتی را به برق تبدیل نمایند. دانمشندان می گویند براساس طرحهای جدید، می توان تا 50% از انرژی خورشیدی دریافتی را به برق تبدیل نمود که این امر باعث می شود تا انرژی خورشیدی بسیار مقرون به صرفه تر گردد.

در دهه اخیر، پیشرفت پنل های خورشیدی بسیار چشم گیر بوده است، قیمتهای آن نسبت به گذشته بسیار کاهش پیدا کرده اند و تقاضای مصرف آن بسیار افزایش یافته و در برخی نقاط جهان، تقاضای مصرف آن برابر و یا حتی بیشتر از سوختهای فسیلی شده است. تغییرات در میزان تقاضا آنقدر افزایش یافته است که میزان نقش انرژی خورشیدی در هدف گذاری برای مصرف سوختهای پاک آینده را دستخوش تغییر کرده است و بر این اساس IEA اعلام داشته که تا سال 2050، نزدیک به 50% از برق مصرفی از طریق انرژی خورشیدی  قابل تامین خواهد بود. سازمان انرژی آمریکا نیز در نظر دارد که تا سال 2030، 14% از برق کشورش را از این طریق تامین نماید.

حال به بررسی سه تکنولوژی جدید در این صنعت می پردازیم.

پروسکایت

یکی از تکنولوژی هایی که دانشمندان بسیار به آن علاقمندند، پروسکایت است. نوعی ماده معدنی که ساختاری بلوری شکل مانند نمک دارد و تولید آن نیز آسان است و از مواد ارزان قیمتی مثل سرب و آمونیاک تهیه می شود که منجر به مقرون به صرفه تر شدن این ماده نیز می گردد و در تبدیل انرژی به برق بسیار مثمر ثمر است. یکی از مسئولان مرکز علمی شیمی و مواد دپارتمان انرژی تجدیدپذیر آمریکا می گوید:" همه در سراسر دنیا به این موضوع علاقه شدیدی دارند، کارایی این ماده در سلولهای خورشیدی بسیار بالاست و هر روز به نتایجی می رسیم که این کارایی را افزایش می دهد! نمی دانیم این روند صعودی تا کجا می تواند ادامه داشته باشد!"

از این ماده اولین بار در سال 2009 استفاده شد. یکی از استادان مهندسی و علم مواد دانشگاه استنفورد، Michael McGehee، می گوید:" ابتدا از این ماده در ساخت سلولهای خورشیدی استفادده نمی شد اما تنها بعد از دو یا سه سال استفاده از این ماده، توانستیم کارایی سلولهای خورشیدی را تا 15% افزایش دهیم." البته این ارقام همچنان در حال تغییر هستند، طبق آخرین اخبار موثق، کارایی پنل های خورشیدی با استفاده از این ماده، تا 20% افزایش یافته و اخبار غیررسمی این مقدار را 24% اعلام کرده اند.

اما بزرگترین ایراد استفاده از این ماده این است که بلور آن در شرایط مرطوب می شکند و این مشکل بزرگی است. McGehee و دیگر محققان در تلاش هستند تا بتوانند با استفاده از عنصر دیگری، ترکیب مستحکم تری را بدست بیاورند. به علاوه این محقق در تلاش است تا با با قرار دادن پروسکایت بر روی سیلیکون، نوعی سلول ترکیبی ایجاد نماید که با کمی افزایش هزینه، کارایی بالاتری داشته باشد. اما با وجود ویژگیهایی که این مواد دارند، وی معتقد است در حدود یک دهه زمان لازم است تا نقص های استفاده از این ماده برطرف شوند. McGehee می گوید:" این تحقیقات، تحقیقاتی طولانی و با ریسک بالا هستند و ممکن است حتی به نتیجه نرسند!"

ترکیب آرسنید گالیوم

یکی از استادان دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه کالیفرنیا، Eli Yablonovitc، که تحقیقات خود بر روی صفحات خورشیدی را از سال 1979 شروع کرده است، معتقد است تکنولوژی سیلیکون، امروزه بسیار قدیمی شده است و موادی مانند آرسنید گالیوم شاید صد برابر بهتر از آن بتوانند انرژی را جذب نمایند که در عین حال ضخامت کمتری نیز دارند.

مواد و طراحی های جدید می توانند به صورت بالقوه، محدودیت های اساسی مانند "گاف انرژی(Band Gap)"  را از بین ببرند. فوتون هایی که انرژی آنها از گاف انرژی پایین تر باشند، جذب نمی شوند و آنهایی که انرژیشان از این مقدار بیشتر است، بیشتر به گرما تبدیل می شوند. برخلاف سیلیکون، ترکیبات جدید می توانند در این حالت بهتر عمل کرده و فوتون های بیشتری را به دام بیندازند.

Yablonovitc ازعان دارد که سلولهایی که از ترکیب آرسنید گالیوم تشکیل شده اند، در حدود 30% از انرژی دریافتی را به برق تبدیل می نمایند و با اضافه کردن لایه، می توان کارایی آنها را به 50% نیز افزایش داد.

اما مشکل استفاده از این مواد، هزینه آن است. از این ترکیب بسیار گرانقیمت تنها در صنایع خاصی مانند ساخت ماهواره های فضایی استفاده می شود. اما Yablonovitc معتقد است که اگر میزان تولید افزایش یابد، هزینه ها کاهش پیدا می کنند. وی اظهار دارد :"قبلا هم چنین اتفاقی افتاده. در حدود 40 سال پیش که من تحقیقاتم را در زمینه صفحات خورشیدی آغاز کرده بودم، هزینه ها 100 برابر امروز بود."

نقاط کوانتومی

از دیگر طراحی های نوین، استفاده از نقاط کوانتومی است. بلورهایی در اندازه نانومتر که می توانند الکترونهای دارای انرژی را به دام بیندازند و باقی را رها کنند. این فرآیند را " تولید اکسایتون چندگانه" گویند که می تواند انرژی نور خورشید را که به صورت گرما هدر می دهد، بازیابد. Matthew Beard یکی از محققان ارشد آزمایشگاه ملی Los Alamos، می گوید:" مقدار انرژی که طی این فرآیند جذب می شود، بخش قابل توجهی از انرژی است که همواره دور ریخته می شد!" البته قرار دادن این نقاط کوانتومی در سلولهای خورشیدی خود نیازمند سطوح پیشرفته ای از علم شیمی است و دانشمندان همچنان در حال مطالعه در این زمینه هستند. Beard می گوید:" با شروع تحقیقات در سال 2009 ما توانستیم با استفاده از این روش، 2 تا 3 درصد از انرژی هدر رفته را بازیابیم و امروز این رقم به 8.6 درصد رسیده است که با توجه به مدت زمان مطالعات رقم خوبی است. براساس نظریات عنوان شده اگر تنها در یک لایه از سلولهای خورشیدی، یک نقطه کوانتومی قرار دهید، میزان بازیابی انرژی و تبدیل آن به برق را تا 45% افزایش می دهد."

پیشرفت تکنولوژی سیلیکون

تکنولوژی سیلیکون نیز در حال پیشرفت است. یکی از سازندگان پنل های خورشیدی در آمریکا، اعلام کرده است که تولید انبوه نوعی از پنل های خورشیدی سیلیکونی را به زودی شروع خواهند کرد که تا 25% کاراییشان نسبت به مدلهای قبلی بیشتر است. علاوه بر اینکه این نوع پنلها فروش بیشتری نسبت به مدلهای امروزی خواهند داشت، به دلیل افزایش برق خروجی این نوع پنلها، برق نهایی تولید شده نیز ارزان قیمت تر خواهد بود. Tom Werner مدیرعامل این شرکت می گوید:" ما معتقدیم طی پس از مدت زمانی، قیمتها به شدت کاهش خواهند یافت. "

موارد فوق تنها چند مورد از اقداماتی است که در زمینه پیشرفت سلولهای خورشیدی رخ داده است. به طور کلی براساس اظهار نظر IEA نوآوری در صنعت انرژی خورشیدی، به دلیل اینکه هنوز این صنعت در اولویت همه کشورها نیست، پیشرفت مناسبی نداشته است. برای افزایش این میزان باید تبلیغات گسترده تری در زمینه انرژی های پاک صورت گیرند. همچنین سیاست گذاری ها بیشتر به سمت تحقیق، توسعه و مصرف انرژی های پاک بروند. بنابر آمارهای اعلام شده، به طور متوسط در کشورهای پیشرفته، میزان تحقیقات در زمینه صنایع دفاع، شش برابر موضوعات انرژی است. محققان معتقدند ایجاد انگیزه از طریق تبلیغات در زمینه انرژی باید افزایش یابد.

Beard معتقد است:" تنها راهی که تحقیقات ما می توانند به کالا تبدیل شوند، این است که کمپانی ها سودی در آن بیابند و آینده اش را روشن ببینند تا در آن سرمایه گذاری کنند. تحقیقات ما به تنهایی نمی توانند به محصول نهایی تبدیل شوند."

گرداورنده: Cheryl Katz

---

دریافت فایل