دستیابی به مواد جدید برای مهار انرژی خورشیدی

پانل های خورشیدی
اعتبار: © electriceye / Adobe Stock
 

یک گام دیگر تا تحقق عملی ترین و کارآترین راه برای مهار پاک ترین و فراوان ترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان مانده است.
 
فیزیکدان دانشگاه تولدو عملکرد سلول های خورشیدی را تا سطوحی که هرگز قبلاً به آن دست یافته نشده بود پیش می برد. او پیشرفت قابل توجهی در فرمول های شیمیایی و روند ایجاد یک ماده جدید به عمل آورده است.
 
دکتر یانفا یان، استاد فیزیک دانشگاه تولدو با همکاری آزمایشگاه ملی انرژی تجدید پذیر دپارتمان انرژی ایالات متحده و دانشگاه کلرادو امیدوار است که ماده‌ی با کارایی فوق العاده بالا به نام یک سلول خورشیدی پروفسکایت دوتایی، آماده شروع به کار در  پانل های خورشیدی تمام سایز در بازار مصرف در آینده نزدیک شود.
 
پروفسکایت ها، که مواد ترکیبی با ساختار کریستالی خاصی هستند که به طریق شیمیایی ساخته شده اند، جایگزین سیلیکون می شوند که در حال حاضر – ماده‌ی انتخابی سلول خورشیدی برای تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی باقی می ماند.
 
یان گفت: "ما در حال تولید سلول های خورشیدی کارآتر و ارزان تر هستیم که نوید زیادی برای کمک به حل بحران انرژی جهان ارائه می دهد." "کار هدف دار برای حفاظت از سیاره مان برای فرزندان و نسل های آینده، به ما کمک خواهد کرد. مشکل ما در حال حاضر این است که بیشتر مشغول استفاده از انرژی های فسیلی هستیم، و تیم همکارانه‌ی ما بر بهبود روش نوآورانه مان برای تمیز کردن این آلودگی ها تمرکز دارد."
 
مقاله پژوهشی جدیدی که در مجله Science منتشر شده است، نشان می دهد که چگونه تیم فتوولتائیک، به تنظیم ظریف ترکیبی از سرب و قلع برای پیشبرد تکنولوژی تا نزدیک به حداکثر کارایی پرداخته اند. تلاش ها در حال حاضر کارایی سلول خورشیدی جدید را به حدود 23 درصد افزایش داده است. در مقایسه، پانل های خورشیدی سیلیکون در بازار امروز حدود 18 درصد از نرخ بهره وری را دارند.
 
دانشمندان از یک ترکیب شیمیایی به نام گواندیوم تیتوسیانات استفاده کرده اند تا به طور چشمگیری ویژگی های ساختاری و اپتوالکترونیک فیلم های پروفسکایت مخلوط با سرب و قلع را بهبود بخشند.
 
دکتر شانجای خاره، استاد و رئیس بخش فیزیک و نجوم دانشگاه تولدو، گفت: "ساینس مجله علمی برتر جهان در کنار مجله نیچر است، که تنها پنج ماه پیش کار تحقیقی دیگر دکتر یان را منتشر کردند پس از آن که او یک ماده تک رنگ را که نور سفید تولید می کند، که می تواند کارایی و جذابیت لامپهای LED را افزایش دهد، کشف کرد." "کار توأم با پایداری قابل توجه او در دانشگاه تولدو می تواند به استفاده از انرژی پاک در جهان کمک کند."
 
حدود پنج سال پیش، تیم یان در دانشگاه تولدو خواص ایده آل پروفسکایت ها را شناسایی کرد و از آن زمان تا کنون 20 سال تجربه خود را در زمینه تولید یک سلول خورشیدی دو گانه تمام پروفسکایتی متمرکز کرده است که دو سلول خورشیدی مختلف را به هم می آورد تا توان الکتریکی کلی تولید شده با استفاده از دو قسمت مختلف طیف خورشیدی افزایش یابد.
 
دپارتمان انرژی ایالت متحده در ماه گذشته به یان مبلغ 1.1 میلیون دلار برای ادامه تحقیقات خود در همکاری با آزمایشگاه ملی انرژی تجدید پذیر اعطا کرد.
 
یان گفت: "این ماده ای است که ما دیر زمانی است منتظرش بوده ایم." "صنعت خورشیدی در حال تماشا و انتظار است. برخی در حال سرمایه گذاری در این فناوری هستند."
 
یان متخصص در تئوری فیزیک نقص و خواص الکترونیکی در نیمه هادی ها، سنتز مواد و تولید سلول های خورشیدی فیلم نازک است.
 
دکتر ژائونینگ سانگ، استادیار تحقیقاتی در بخش فیزیک و نجوم دانشگاه تولدو و نویسنده همکار در این مطالعه می گوید: "تحقیق دانشگاه تولدو ما در حال انجام است برای ساخت سلول های خورشیدی ارزان تر و کارآمد که می تواند با فن آوری غالب فتوولتائیک سیلیکون رقابت کند و حتی بهتر از آن باشد." "سلولهای خورشیدی دوگانه ما با دو لایه پروفسکایت توانایی تبدیل توان بالا را دارند و می توانند هزینه های تولید پانل های خورشیدی را کاهش دهند که پیشرفت مهمی در فتوولتائیک ها است."
 
در حالی که تیم یان، کیفیت مواد و فرآیند تولید آنها را با هزینه کم بهبود داده است، پیشرفت بیشتری باید انجام شود.
 
سانگ گفت: "هزینه مواد کم است و هزینه تولید کم است، اما طول عمر مواد هنوز ناشناخته است." "ما باید برای افزایش کارایی و ثبات به کار ادامه دهیم."
 
یان گفت: "همچنین سرب یک ماده سمی محسوب می شود." "من متعهد هستم که با صنعت استفاده از انرژی خورشیدی کار کنم تا اطمینان حاصل شود که پانل های خورشیدی ساخته شده از این ماده قابل بازیافت است به گونه ای که باعث صدمه به محیط نمی شود."
 

سلول های خورشیدی ساخته شده از پروفسکایت نوید فراوانی برای آینده انرژی خورشیدی دارند. با این حال، این ماده به سرعت زوال پیدا می کند، و این به شدت کارایی و ثبات آن را در طول زمان محدود می کند. ما در حال تولید سلول های خورشیدی کارآتر و ارزان تر هستیم که نوید زیادی برای کمک به حل بحران انرژی جهان ارائه می دهد. محققان کشف کرده اند که افزودن مقدار کمی فلوراید به پروفسکایت لایه ای محافظ را ایجاد می کند و باعث افزایش پایداری مواد و سلول های خورشیدی می شود. سلول های خورشیدی پس از 1000 ساعت کار در شرایط مختلف آزمایشی 90 درصد از کارایی خود را حفظ می کنند. این یافته ها در مجله علمی پیشرو Nature Energy منتشر شده است.
 
از آنجا که آنها بسیار ارزان هستند، سلول های خورشیدی پروفسکایت در مرکز مطالعات اخیر خورشیدی قرار دارند. به عنوان یک نتیجه، بهره وری آنها در حال حاضر از کمتر از 4 درصد در سال 2009 به بیش از 24 درصد افزایش یافته است که نزدیک به سلول های سیلیکونی سنتی است. سلول های دوگانه ای که سلول های سیلیکونی و پروفسکایتی را ترکیب می کنند، کارایی بیش از 28 درصد را به دست می دهند.
 

منبع: دانشگاه تولِدو