چگونه فناوری نانو می تواند سلول های خورشیدی را بهبود بخشد؟!

نانوتکنولوژی در سلول های خورشیدی به عنوان یک زمینه جدید با پتانسیل ایجاد انقلابی در نحوه استفاده از انرژی خورشیدی ظهور کرده است. نانوتکنولوژی شامل دستکاری و کنترل مواد در مقیاس نانو، معمولا بین 1 تا 100 نانومتر است. در زمینه سلول های خورشیدی، فناوری نانو امکان ایجاد ساختارهایی مانند نقاط کوانتومی، نانوسیم ها و سلول های خورشیدی لایه نازک را فراهم می کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی نیمه هادی هایی در مقیاس نانو هستند که می توانند نور را با راندمان بالا جذب و ساطع کنند و آنها را برای بهبود تبدیل انرژی در سلول های خورشیدی ایده آل می کند. نانوتکنولوژی با بهبود کارایی، انعطاف‌پذیری، دوام و طول عمر سلول‌های خورشیدی، حوزه انرژی خورشیدی را تغییر داده است. استفاده از قدرت فناوری نانو در ایجاد یک محیط انرژی پایدار و پاک ضروری خواهد بود. هدف این مقاله بررسی ارتباط و اهمیت نانوتکنولوژی در سلول‌های خورشیدی و اینکه چرا آن را آینده انرژی خورشیدی می‌دانند، می‌پردازد.

نقش فناوری نانو در سلول‌های خورشیدی

سلول های خورشیدی نانوساختار دارای ویژگی های بیشتر و کارایی بهتری نسبت به سلول های خورشیدی سنتی هستند. در عین حال سلول های خورشیدی پروسکایت به دلیل کارایی بالا یکی از پرطرفدارترین سلول های خورشیدی محسوب می شوند. این سلول ها با امید به تولید انرژی پراکنده و ارزان از خورشید، جایگاه بزرگی در صنعت انرژی پاک دارند. سلول های پروسکایت از خانواده مواد شیمیایی ABX3 هستند. هالید آلی و پروسکایت های معدنی از پیچیده ترین ترکیباتی هستند که توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده اند. این ترکیبات دارای ساختار شیمیایی عمومی ApbX3 هستند که در آن X یک یون تک ظرفیتی مانند فلوئور، کلر، برم و ید است. به عنوان مثال، ساختار پروسکایتی متیل آمونیوم هالید سرب یکی از رایج ترین ترکیبات در این زمینه است. سایر عناصر سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، شامل لایه جاذب نور با ضخامت 400 نانومتر و سایر اجزا، طبق شکل‌های مرسوم در صنعت تولید سلول‌های خورشیدی پروسکایتی استاندارد می‌باشند.

فناوری‌نانو در بهره‌مندی بیشتر از سلول‌های خورشیدی

فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر زیادی در سراسر جهان وجود دارد، اما سلول‌های خورشیدی گسترده‌ترین فناوری تجاری در این زمینه هستند و در سال‌های اخیر تمایل به بهبود و کاهش اندازه این سلول‌ها و انعطاف‌پذیری زیاد آن‌ها به‌منظور نصب آن‌ها در مکان‌های سخت، توجه به نانومواد را افزایش داده است. اندازه کوچک نانومواد به شناسایی سلول های کوچک کمک می کند. اگرچه انعطاف پذیری ذاتی برخی از نانومواد لایه نازک برای ایجاد سلول های خورشیدی که با سطوح مختلف سازگار هستند، مورد بهره برداری قرار گرفته است. با این حال، یک حوزه مهم مورد توجه این است که نانومواد با خواص الکترونیکی بهتر یا خواص جذب نور بالاتر به افزایش راندمان تبدیل توان (PCE) سلول‌های خورشیدی کمک می‌کنند. شرکت های زیادی وارد این عرصه شده اند و در این زمینه در حال فعالیت هستند.

آخرین پیشرفت‌ها

Nanosolar یک سلول خورشیدی معدنی بسیار کوچک CIGS (مس، ایندیم، گالیوم، سلنیوم) ساخته است که از یک لایه نازک CIGS بر روی یک بستر آلومینیومی به عنوان جوهر نانوذره استفاده می‌کند. استفاده از جوهر در سلول های خورشیدی در حال افزایش است. زیرا امکان ساخت سلول های خورشیدی بسیار نازک را فراهم می کند. راندمان تبدیل انرژی این سلول 17 درصد است که کمتر از سلول های CIGS موجود است، اما برای یک سلول خورشیدی لایه نازک بسیار بالا است. شرکت دیگری که سلول های خورشیدی لایه نازک را به صورت تجاری تولید می کند، Oxford PV است. آنها از پروسکایت، یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد برای سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا به شکل لایه نازک استفاده می کنند.

گرافن در بسیاری از زمینه ها مورد توجه قرار گرفته است و شروع به ورود به بسیاری از صنایع با فناوری پیشرفته کرده است. گرافن دارای خواص زیادی است که آن را به یک ماده ایده آل برای بهبود PCE سلول های خورشیدی مختلف تبدیل می کند. اولین پیشرفت قابل توجه در سلول های خورشیدی تقویت شده با گرافن از همکاری ZNShine در چین و Bharat Heavy Electronics در هند حاصل شد. شرکت دیگری که سلول های خورشیدی گرافنی را توسعه داده است Freevolt در ایالات متحده است. هدف این سلول های خورشیدی بازار مسکونی است و S2A Modular از این سلول های خورشیدی در خانه های خود استفاده می کند.

مزایای فناوری نانو در سلول های خورشیدی

استفاده از نانوذرات در تولید سلول های خورشیدی دارای مزایای زیر است:

– کاهش هزینه های ساخت به دلیل استفاده از فرآیندی با دمای پایین مشابه چاپ، به جای فرآیند رسوب گذاری خلاء در دمای بالا که معمولاً برای تولید سلول های معمولی ساخته شده از مواد نیمه هادی کریستالی استفاده می شود.
– کاهش هزینه های نصب با ساخت پانل های انعطاف پذیر به جای پانل های کریستالی سفت و سخت. سلول های ساخته شده از لایه های نازک نیمه هادی نیز این ویژگی را خواهند داشت.
– سلول‌های خورشیدی نانوتکنولوژی موجود در حال حاضر به اندازه سلول‌های سنتی کارآمد نیستند، اما هزینه کمتر آن‌ها این مورد را جبران می‌کند. در درازمدت، نسخه‌های فناوری نانو باید هزینه کمتری داشته باشند و با استفاده از نقاط کوانتومی، بتوانند بازدهی بالاتری نسبت به نمونه‌های معمولی داشته باشند.