فناوری لایه نازک در سلول های خورشیدی

توسعه سلول‌های خورشیدی لایه نازک یکی از تحولات اساسی در عرصه انرژی خورشیدی به شمار می‌رود. با پیشرفت‌هایی که در کاهش هزینه‌های تولید سلول‌های خورشیدی سیلیکونی انجام شده، نسل دوم این سلول‌ها به وجود آمده است. این نوع سلول‌ها از لایه‌های بسیار نازکی تشکیل شده‌اند که از مواد خاصی برای جذب نور خورشید بهره می‌برند. نسل جدید سلول‌های فتوولتائیک نیاز به مواد کمتری دارند و به همین دلیل، قابلیت‌های نوینی مانند تولید پنل‌های خورشیدی نیمه شفاف و انعطاف‌پذیر را میسر می‌سازند. چنین ابتکاراتی می‌تواند کاربردهای گسترده‌تری در صنعت انرژی خورشیدی ایجاد کند و به توسعه پایدارتر این فناوری کمک نماید.

سلول‌های خورشیدی نسل دوم که از فناوری لایه نازک بهره می‌برند، افق‌های روشنی را برای انرژی‌های تجدیدپذیر به ارمغان می‌آورند. این نوع سلول‌ها برخلاف نسل‌های قبلی، از طراحی نازک و انعطاف‌پذیری برخوردارند و به سه دسته سیلیکون آمورف، CIGS و CdTe/CdS تقسیم می‌شوند. راندمان‌هایی که در این نسل به دست آمده، نویدبخش آغاز حرکتی در راستای انرژی سبز هستند. به عنوان نمونه، سلول‌های لایه نازک CdTe به راندمانی معادل 22 درصد دست یافته‌اند و سلول‌های CIGS نیز به بازدهی حدود 23.35 درصد رسیده‌اند. با توجه به این پیشرفت‌ها، این پرسش مطرح می‌شود که آیا این نسل جدید از سلول‌های خورشیدی می‌تواند عملکرد بهتری نسبت به سلول‌های فتوولتائیک سیلیکونی متداول ارائه دهد یا خیر.

فناوری های فتوولتائیک؛ ظهور لایه نازک ها

داستان انرژی خورشیدی نمایانگر یک سفر جذاب در حوزه پیشرفت‌های انرژی‌های تجدیدپذیر است. این مسیر از سال ۱۹۵۴ آغاز شد، زمانی که نخستین سلول خورشیدی سیلیکونی توسط آزمایشگاه‌های بل ساخته شد. این اختراع با تبدیل نور به برق خورشیدی، انقلابی در زندگی روزمره انسان‌ها به وجود آورد و انرژی خورشیدی را به یکی از ارکان اصلی راه‌حل‌های انرژی پایدار تبدیل کرد. از آن زمان تا به امروز، فناوری‌های مرتبط با انرژی خورشیدی دستخوش تغییرات قابل توجهی شده‌اند.

یکی از این تغییرات، ظهور سلول‌های خورشیدی لایه نازک است. این نوآوری‌ها به کاهش هزینه‌های تولید کمک کرده و نسل دوم سلول‌های خورشیدی را معرفی کرده است. نسل دوم شامل مواد پیشرفته‌ای مانند کادمیوم تلوراید، کادمیوم سلنید، مس ایندیم گالیوم دی‌سلنید و سیلیکون آمورف لایه نازک می‌باشد. اگرچه سلول‌های خورشیدی نسل دوم از نظر بازدهی کمتر از نسل اول هستند، اما به دلیل هزینه‌های پایین‌تر، گزینه‌ای اقتصادی‌تر محسوب می‌شوند.

این سلول‌ها از لایه‌های بسیار نازکی ساخته شده‌اند که به‌طور خاص برای جذب نور خورشید طراحی شده‌اند. نسل جدید سلول‌های فتوولتائیک به استفاده از مواد کمتری نیاز دارند و این امکان را فراهم می‌آورند تا کاربردهای نوینی مانند پنل‌های خورشیدی نیمه شفاف و انعطاف‌پذیر توسعه یابند. در نتیجه، انرژی خورشیدی به‌عنوان منبعی نوین و پایدار، جایگاه خود را در آینده انرژی دنیا مستحکم‌تر می‌کند.

اجزا و عناصر کلیدی در سلول های خورشیدی لایه نازک

سیلیکون به عنوان ماده اصلی، حدود ۹۵ درصد از پنل‌های خورشیدی موجود را تشکیل می‌دهد. این سلول‌های سیلیکونی که به خاطر دوام طولانی و پایداری خود شناخته می‌شوند، قادرند بیش از ۲۵ سال عمر کنند و در طول این مدت، همچنان بیش از ۸۰ درصد از توان خروجی خود را حفظ نمایند. این ویژگی‌ها موجب می‌شود که سیلیکون به گزینه‌ای برتر برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی تبدیل شود. با این حال، علاوه بر سیلیکون، عناصر نیمه‌هادی دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند در تولید سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند.

یکی از این مواد، تلورید کادمیوم (CdTe) است که به عنوان یکی از مواد کلیدی در ساخت سلول‌های لایه نازک شناخته می‌شود و پس از سیلیکون، در رتبه دوم از لحاظ مصرف در این صنعت قرار دارد. سلول‌های خورشیدی لایه نازک به دلیل ساختار ساده و وزن سبک خود به عنوان یکی از فناوری‌های نوین در تولید انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته‌اند. این نوع سلول‌ها معمولاً از لایه‌های نازک مواد نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند که به طور مستقیم بر روی زیرلایه‌هایی مانند شیشه یا پلاستیک نصب می‌شوند. اجزای اصلی این سلول‌ها شامل مواد نیمه‌رسانا، الکترودها و زیرلایه‌ها هستند که هر کدام نقش اساسی در عملکرد کلی سلول ایفا می‌کنند و به بهینه‌سازی تولید انرژی کمک می‌نمایند.

مواد نیمه‌رسانا در سلول‌های لایه نازک به چند نوع اصلی تقسیم می‌شوند که شامل سیلیکون آمورف، کادمیوم تلورید و ترکیب مس، ایندیم و گالیوم (CIGS) می‌باشند. سیلیکون آمورف به دلیل قابلیت تولید الکتریسیته در دماهای پایین و هزینه ساخت پایین، به طور گسترده‌ای در این نوع سلول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. کادمیوم تلورید نیز به خاطر کارایی بالای خود و هزینه‌های پایین، به عنوان یک گزینه جذاب در بازار انرژی‌های تجدیدپذیر به شمار می‌آید.

تکنولوژی ساخت سلول های خورشیدی لایه نازک

در فناوری تولید سلول‌های خورشیدی لایه نازک، از روش‌های تبخیر برای ایجاد یک لایه بسیار نازک به ضخامت چند میکرون بر روی بسترهایی مانند شیشه، پلیمر یا فلز استفاده می‌شود. این تکنیک به دلیل سادگی در فرآیند تولید، به طور قابل توجهی هزینه‌های مربوط به مواد اولیه را کاهش می‌دهد. با استفاده از لایه‌های نازک مواد نیمه‌رسانا، امکان بهره‌وری بالاتر و تولید اقتصادی‌تر فراهم می‌شود. در بین انواع نیمه‌رساناهای موجود، سه نوع خاص از آن‌ها در صنعت بیشترین کاربرد را دارند و به عنوان گزینه‌های اصلی در تولید سلول‌های لایه نازک شناخته می‌شوند. این امر نشان‌دهنده اهمیت انتخاب صحیح مواد در بهینه‌سازی عملکرد سلول‌های خورشیدی و افزایش کارایی آن‌ها در بازار است.

۱- فناوری سلول خورشیدی لایه نازک سیلیکون غیر بلوری (آمورف)

اولین نوع سلول‌های خورشیدی لایه نازک که به صورت تجاری تولید می‌شوند، سلول‌های سیلیکون غیر بلوری یا آمورف هستند. این نوع سلول‌ها به دلیل فرآیند تولید خاص خود، سهم قابل توجهی از بازار انرژی خورشیدی را به خود اختصاص داده‌اند. تولید این سلول‌ها شامل قرار دادن لایه نازکی از سیلیکون به ضخامت چند میکرون بر روی سطوحی مانند شیشه، پلاستیک یا فلز می‌باشد. این فرآیند غالباً از طریق روش رسوب شیمیایی در فاز بخار (CVD) و با استفاده از گاز سیلان و هیدروژن انجام می‌شود. یکی از مزایای این روش، کاهش قابل توجه مصرف سیلیکون است که تنها حدود 1% میزان مورد نیاز برای تولید سلول‌های بلوری را شامل می‌شود و این امر به طور چشمگیری هزینه تولید را پایین می‌آورد. با این حال، ساختار غیر بلوری این سلول‌ها باعث کاهش بازدهی آن‌ها شده است. به طوری که بهترین بازده‌های آزمایشگاهی و صنعتی به ترتیب حدود 13% و 8% گزارش شده است. به رغم این چالش‌ها، این نوع سلول‌ها به دلیل هزینه پایین و روش تولید ساده، همچنان در بازار انرژی خورشیدی محبوبیت دارند.

۲- فناوری سلول خورشیدی لایه نازک کادمیوم تلوراید سلول‌های کادمیوم تلوراید

به عنوان یکی از نوآورترین انواع سلول‌های نازک، سلول‌های خورشیدی کادمیوم تلوراید توانسته‌اند با رقیب اصلی خود، یعنی سیلیکون، به رقابت بپردازند. این ماده ترکیبی، یک نیمه‌رسانای بلوری با شکاف انرژی 1/44 الکترون ولت است که معمولاً به همراه سولفید کادمیوم به کار می‌رود تا ساختار سلول را تشکیل دهد. در آزمایشگاه‌ها، این نوع سلول‌ها به عملکرد بالای 22% دست یافته‌اند که آن‌ها را به یکی از گزینه‌های اقتصادی در بازار انرژی خورشیدی تبدیل می‌کند. تولید سلول‌های خورشیدی کادمیوم تلوراید از سال 2012 آغاز شده و انتظار می‌رود در سال‌های آتی با رشد چشمگیری مواجه شود. با این حال، دو چالش اصلی، شامل محدودیت دسترسی به تلوراید و مشکلات زیست‌محیطی مرتبط با کادمیوم، می‌تواند بر آینده این نوع سلول‌ها تأثیرگذار باشد. این مسایل نیازمند توجه جدی در مراحل توسعه و تولید این فناوری است تا بتوان از مزایای آن بهره‌برداری کرد.

۳- فناوری سلول خورشیدی لایه نازک CIGS

نوعی از مواد غیرسیلیکونی که در فناوری لایه نازک مورد استفاده قرار می‌گیرد، شامل ترکیب عناصر گروه‌های یک، سه و شش جدول تناوبی است که مهم‌ترین آن‌ها مس، ایندیوم، گالیوم و سلنیوم هستند. این نوع سلول‌های خورشیدی که به نام CIGS شناخته می‌شوند، به دلیل بازدهی بالا و هزینه‌های کم مواد اولیه، به عنوان یکی از گزینه‌های امیدوارکننده در زمینه فناوری‌های لایه نازک مطرح شده‌اند. سلول‌های CIGS نیز همانند دیگر انواع سلول‌های لایه نازک، بر روی سطوح مختلفی مانند شیشه و پلاستیک قابل رسوب‌دهی هستند. بالاترین بازدهی این سلول‌ها به حدود 23 درصد می‌رسد که آن‌ها را به یکی از برترین گزینه‌ها در میان سایر انواع سلول‌های لایه نازک تبدیل می‌کند. این ویژگی‌های خاص باعث شده است که CIGS به عنوان یک پیشرفت قابل توجه در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر به شمار آید و نقش مهمی در تأمین انرژی پایدار ایفا کند.

سلول های خورشیدی لایه نازک چه کاربرد هایی دارند؟

فناوری لایه نازک به دلیل ویژگی‌های خاص خود، در زمینه‌های گوناگون کاربردهای فراوانی دارد. این نوع سلول‌ها به خاطر وزن سبک، قابلیت انعطاف‌پذیری و امکان تولید انبوه، به‌عنوان گزینه‌ای جذاب برای تولید انرژی شناخته می‌شوند. یکی از کاربردهای کلیدی سلول‌های خورشیدی لایه نازک در ساختمان‌هاست. این سلول‌ها به آسانی بر روی سطوح متنوعی مانند دیوارها و سقف‌ها قابل نصب هستند و می‌توانند به تولید انرژی برق برای تأمین نیازهای روزمره کمک کنند. به ویژه در ساختمان‌های تجاری و مسکونی، این فناوری می‌تواند به کاهش هزینه‌های انرژی و افزایش کارایی مصرف انرژی منجر شود. این امر نه تنها به صرفه‌جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند، بلکه به حفظ محیط زیست نیز یاری می‌رساند، زیرا استفاده از انرژی خورشیدی به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک می‌کند.

این نوع سلول‌ها در زمینه تولید انرژی برای وسایل نقلیه الکتریکی نقش مهمی ایفا می‌کنند. با نصب این سلول‌ها بر روی سقف خودروها، امکان تبدیل انرژی خورشیدی به برق فراهم می‌شود که می‌تواند برای شارژ باتری‌ها استفاده گردد. این رویکرد می‌تواند به افزایش استقلال انرژی و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کند. همچنین، در حوزه فناوری‌های پوشیدنی، لایه نازک‌ها به عنوان منبعی برای تأمین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند ساعت‌های هوشمند و گوشی‌های همراه به کار می‌روند.