ساخت سلول‌های خورشیدی نسل بعدی توسط نانوکریستال‌ها

سیناپرس: ذرات الکترونی کوانتومی (الکترون‌های منفی وحفره‌هایی با بار الکتریکی مثبت) موجود در نانوکریستال‌ها، ویژگی‌های نوری و الکترونیکی را به وجود می‌آورند که باعث افزایش کارایی تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی به سوخت‌های خورشیدی و فوتوولتاییک با هزینه کم می‌شود. در مقایسه با سیلیکون در سلول‌های خورشیدی امروزی، نانوکریستال‌ها می‌توانند کسر بیشتری از طیف نور خورشید را جذب کنند. اما تا به امروز فیزیک حاکم بر انتقال الکترون در این ماده پیچیده درک نشده بود و همین باعث می‌شد که نتوان کامپوزیت‌های نانوکریستالی را بصورت سیستماتیک مهندسی کرد.

 

ونسا وود، پروفسور مهندسی مواد و ادوات از دانشگاه تکنولوژی فدرال زوریخ می‌گوید: «این سلول‌های خورشیدی حاوی لایه‌هایی مملو از کریستال‌های منفرد در سایز نانو هستند که توسط یک چسب مولکولی به هم پیوند خورده‌اند. الکترون‌ها درون کامپوزیت‌های کریستالی آنگونه که در کاربردهای تجاری مورد نیاز است جریان پیدا نمی‌کنند.»

 

وود و همکارانش مطالعه گسترده‌ای روی سلول‌های خورشیدی نانوکریستالی که در آزمایشگاه‌هایشان ساخته و طبقه‌بندی می‌کنند ترتیب دادند. آنها برای اولین بار با استفاده از یک مدل فیزیکی کاربردی، قادر به توصیف انتقال الکترون در چنین انواعی از سلول‌های خورشیدی شدند.

وود در این باره می‌گوید: «مدل ما قادر است اثرات تغییر دادن اندازه نانوکریستال، ماده نانوکریستال و مولکول‌های اتصال‌دهنده را بر انتقال الکترون توضیح دهد.

 

بهینه برای سلول‌ها

مدل مورد نظر در زمینه تحقیق درک بهتری از فرآیندهای فیزیکی که درون سلول‌های خورشیدی نانوکریستالی روی می‌دهد را در اختیار دانشمندان قرار خواهد داد و آنها را قادر می‌کند که بازده سلول خورشیدی را افزایش دهند.

یکی از دلایلی که دانشمندان به نانوکریستال‌ها روی آورده‌اند این است که ویژگی‌های فیزیکی آنها در سایزهای مختلف متفاوت است. دلیل دیگر این است که دانشمندان می‌توانند اندازه نانوکریستال‌ها را در فرآیند ساخت کنترل کنند و آنها را برای سلول‌های خورشیدی بهینه‌سازی کنند. یکی از چنین ویژگی‌هایی که می‌تواند تحت تاثیر تغییر اندازه نانوکریستال قرار ‌بگیرد، میزان طیفی از نور خورشید است که نانوکریستال‌ها می‌توانند جذب کنند و توسط سلول خورشیدی به الکتریسیته تبدیل کنند.

نیمه‌هادی‌ها تمام طیف نور خورشید را جذب نمی‌کنند بلکه تنها اشعه‌هایی زیر طول موج خاص یا طول موج آستانه را جذب می‌کنند.

در اکثر نیمه‌هادی‌ها، این آستانه با تعویض ماده می‌تواند تغییر کند. در حالی که در کامپوزیت‌های نانوکریستالی، آستانه را به سادگی می‌توان با تغییر دادن اندازه کریستال‌های منفرد تغییر داد. قابلیت تغییر دادن آستانه به این معنی است که دانشمندان می‌توانند اندازه نانوکریستال‌ها را به گونه‌ای انتخاب کنند که بیشترین مقدار نور از محدوده وسیع طیف نور خورشیدی را جذب کنند.

مزیت دیگر این است که نیمه‌هادی‌های نانوکریستالی نسبت به نیمه‌هادی‌های مرسوم نور بسیار بیشتری را جذب می‌کنند. برای مثال ضریب جذب نانوکریستال سولفید سرب که توسط پژوهشگران دانشگاه تکنولوژی فدرال زوریخ مورد آزمایش قرار گرفته است چندین مرتبه‌ بیشتر از نیمه‌هادی‌های سیلیکونی است که در سلول‌های خورشیدی مرسوم استفاده می‌شوند.  

مقدار نسبتا ناچیزی از مواد برای تولید سلول‌های خورشیدی نانوکریستالی کافی است و ساخت سلول‌های خورشیدی انعطاف پذیر و بسیار نازک را ممکن می‌کنند.

 

سلول فتوولتاییک

اثر پدیده فتوولتاییک بخشی ازمكانیک كوانتوم است. فوتون ورودی در مسیر خود به مواد نیمه رسانه مانند كریستال‌های سیلیكون برخورد می‌كند و الكترون‌هایی را كه می توانند برای ایجاد جریان استفاده شوند را آزاد می‌كند. مانند تمامی اثرهای كوانتومی، احتمال وقوع پدیده یا حتمی است یا هرگز صورت نمی‌گیرد. اگر فوتونی كه می‌آید انرژی كمی داشته باشد، الكترون را هرگز برنخواهد انگیخت و اگر انرژی آن بسیار زیاد باشد، انرژی اضافی به هدر می‌رود. از آنجایی كه انرژی فوتون با طول موجش متناسب است، سلول های خورشیدی معمولا نورهای قرمز و مادون قرمز را از دست می‌دهند و نور آبی منشور را هم هدر می‌دهند.

بازده سلول‌های خورشیدی تجاری موجود از ۸ تا ۱۵ درصد در نوسان است و در بهترین حالت بازده ۲۵ درصدی دارند. لذا كمک علم برای بهره برداری بیشتر از این منبع عظیم ضرورت دارد. مزیت‌های سلول‌های فتوولتاییک این است که آنها به آرامی و بی سر و صدا الكتریسیته تولید می‌كنند و نیاز چندانی به تعمیرات و نگهداری ندارند. سلول‌های فتوولتایک به ویژه برای كاربردهایی مناسب هستند كه به توان و انرژی كمی نیاز باشد. این سلول‌ها باید پیوسته كار كنند و برای این كه گستره استفاده از سلول‌های فتوولتاییک افزایش یابد، بهای آنها باید پایین بیاید. این به آن معنی است كه یا باید بهای ساخت و هزینه‌های تولید این سلول‌ها را كاهش داد و یا بازده آنها را در تبدیل انرژی خورشید به الكتریسیته بالا برد.

منبع

No tags for this post.