دانشگاه صنعتی شریف: ایجاد تغییرات نانوساختار در ساختمان سلول‌های خورشیدی به منظور افزایش میزان بازدهی
محققان دانشگاه صنعتی شریف با همکاری پژوهشگرانی از انستیتیو مهندسی و پژوهش مواد سنگاپور موفق شدند در طرحی تحقیقاتی، با ایجاد تغییراتی در مقیاس نانو بر روی اجزای تشکیل دهنده‌ی سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ، میزان بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی این نمونه‌های آزمایشگاهی را افزایش دهند. علاوه بر این، در ساخت آند این سلول خورشیدی از روشی بهره گرفته شد که جزء روش‌های صنعتی، کم هزینه و ساده است.
با توجه به اهمیت استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک انرژی پاک، تحقیق و مطالعه در خصوص ساخت سلول‌های خورشیدی و تجاری سازی آن‌ها رو به افزایش است. از مشکلات موجود در زمینه‌ی تولید انبوه سلول‌های خورشیدی، بازدهی پایین و هزینه‌ی بالای آن‌هاست.
مهندس مهسا جلالی با اشاره به اینکه به کمک روش‌های جدید تولید و ایجاد تغییراتی در ساختار سلول‌های خورشیدی می‌توان بر این مشکلات غلبه کرد، عنوان کرد: «هدف از انجام این کار تحقیقاتی، طراحی و تولید سلول خورشیدی نانوساختار با بازدهی بالا از طریق مهندسی کردن لایه‌های تشکیل دهنده‌ی این سلول‌ها بوده است.»
به گفته‌ی این محقق، یکی از راه‌های نوین در ساخت سلول‌های خورشیدی نانوساختار، طراحی و ساخت سلول خورشیدی به صورت دو لایه، یعنی اضافه کردن یک لایه‌ی پراکنده کننده‌ی نور علاوه بر لایه‌ی اولیه‌ی حاوی نانوذرات اکسیدتیتانیوم است. در این طرح نیز از طریق تغییر نانوساختار اکسیدتیتانیوم به کار رفته در لایه‌ی پراکنده کننده، سطح مؤثر این لایه افزایش یافته است. بنابراین میزان جذب رنگ و نور در این سلول‌ها و در نتیجه راندمان کلی آن‌ها افزایش یافت.
وی در ادامه به توضیح اثرگذاری تغییر در ساختار لایه‌ی پراکنده کننده نور پرداخت و عنوان کرد: «لایه‌ی پراکنده کننده که اغلب دارای ساختار یک بعدی همچون نانومیله‌ها و نانولوله‌هاست، منجر به پراکنده شدن و در نتیجه افزایش طول مسیر نور ورودی می‌گردد. اما نقطه ضعف این طراحی جدید (ساختن سلول خورشیدی به صورت دولایه) کاهش سطح مؤثر و جذب رنگ و در نتیجه کاهش راندمان سلول خورشیدی است. اما در این تحقیق ضمن حفظ ساختار یک بعدی، با ایجاد سطوح ترک شکل کنترل شده بر روی سطح نانومیله‌ها، سطح مؤثر و در نتیجه میزان جذب رنگ و راندمان سلول خورشیدی افزایش یافته است.»
بدین ترتیب ضمن حفظ مزیت اصلی نانومیله‌ی اکسید تیتانیوم در لایه‌ی پراکنده کننده‌ی نور، بر مشکل آن‌ها که کاهش سطح مؤثر است، غلبه شده است.
نتایج این طرح در صنایع تولید برق با استفاده از فناوری خورشیدی نانوساختار و همچنین در صنایع وابسته به تولید انرژی پاک قابل کاربرد خواهد بود.
جلالی در خصوص نحوه‌ی ساخت و بررسی این سلول‌ها عنوان کرد:«همانگونه که اشاره شد، هدف از انجام این کار تحقیقاتی ساخت سلول خورشیدی نانوساختار حساس شده با رنگ با راندمان بالا بوده است. بدین منظور با استفاده از روش هیدروترمال، نانومیله‌های دارای سطوح ترک شکل، که بسیار شبیه ذغال در حال سوختن هستند، تولید گردید. در واقع استفاده از غلظت مناسبی از اتیلن گلیکول، دما، زمان و تعداد دفعات بهینه در فرآیند هیدروترمال مانع رشد کامل کریستال شده و سطوح شبیه ترکی را بر روی سطح نانومیله ایجاد نمود. این نانومیله‌ها در مقایسه با نانومیله‌های معمولی سطح مؤثر و خاصیت پراکنده‌کنندگی نور بسیار بالاتری داشته و در نتیجه سبب افزایش قابل توجه راندمان سلول خورشیدی می‌گردند.»
به گزارش ستاد توسعه فناوری نانو،نتایج این مطالعات نشان داده که با استفاده از این فرایند و ایجاد عیوب ترک شکل بر روی نانو میله‌های موجود در لایه پراکنده‌کننده‌ی نور، سطح مؤثر و در نتیجه میزان جذب رنگ به مقدار 20 درصد و بازده سلول خورشیدی به میزان 10 درصد افزایش می‌یابد.
این تحقیقات حاصل همکاری دکتر خطیب الاسلام صدر نژاد – عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف- دکتر نسترن ریاحی نوری- مدیر گروه مواد غیرفلزی پژوهشگاه نیرو- مهسا جلالی- دانش‌آموخته رشته مهندسی مواد- و روزبه سیاوش موخر- دانشجوی دکترای مهندسی مواد دانشگاه صنعتی شریف- و محققان سنگاپوری است. نتایج این کار در مجله‌ی Journal of Applied Electrochemistry (جلد 45، شماره 8، سال 2015، صفحات 831 تا 838) منتشرشده است.
مهندس مهسا جلالی با اشاره به اینکه به کمک روش‌های جدید تولید و ایجاد تغییراتی در ساختار سلول‌های خورشیدی می‌توان بر این مشکلات غلبه کرد، عنوان کرد: «هدف از انجام این کار تحقیقاتی، طراحی و تولید سلول خورشیدی نانوساختار با بازدهی بالا از طریق مهندسی کردن لایه‌های تشکیل دهنده‌ی این سلول‌ها بوده است.»
به گفته‌ی این محقق، یکی از راه‌های نوین در ساخت سلول‌های خورشیدی نانوساختار، طراحی و ساخت سلول خورشیدی به صورت دو لایه، یعنی اضافه کردن یک لایه‌ی پراکنده کننده‌ی نور علاوه بر لایه‌ی اولیه‌ی حاوی نانوذرات اکسیدتیتانیوم است. در این طرح نیز از طریق تغییر نانوساختار اکسیدتیتانیوم به کار رفته در لایه‌ی پراکنده کننده، سطح مؤثر این لایه افزایش یافته است. بنابراین میزان جذب رنگ و نور در این سلول‌ها و در نتیجه راندمان کلی آن‌ها افزایش یافت.
وی در ادامه به توضیح اثرگذاری تغییر در ساختار لایه‌ی پراکنده کننده نور پرداخت و عنوان کرد: «لایه‌ی پراکنده کننده که اغلب دارای ساختار یک بعدی همچون نانومیله‌ها و نانولوله‌هاست، منجر به پراکنده شدن و در نتیجه افزایش طول مسیر نور ورودی می‌گردد. اما نقطه ضعف این طراحی جدید (ساختن سلول خورشیدی به صورت دولایه) کاهش سطح مؤثر و جذب رنگ و در نتیجه کاهش راندمان سلول خورشیدی است. اما در این تحقیق ضمن حفظ ساختار یک بعدی، با ایجاد سطوح ترک شکل کنترل شده بر روی سطح نانومیله‌ها، سطح مؤثر و در نتیجه میزان جذب رنگ و راندمان سلول خورشیدی افزایش یافته است.»
بدین ترتیب ضمن حفظ مزیت اصلی نانومیله‌ی اکسید تیتانیوم در لایه‌ی پراکنده کننده‌ی نور، بر مشکل آن‌ها که کاهش سطح مؤثر است، غلبه شده است.
نتایج این طرح در صنایع تولید برق با استفاده از فناوری خورشیدی نانوساختار و همچنین در صنایع وابسته به تولید انرژی پاک قابل کاربرد خواهد بود.
جلالی در خصوص نحوه‌ی ساخت و بررسی این سلول‌ها عنوان کرد:«همانگونه که اشاره شد، هدف از انجام این کار تحقیقاتی ساخت سلول خورشیدی نانوساختار حساس شده با رنگ با راندمان بالا بوده است. بدین منظور با استفاده از روش هیدروترمال، نانومیله‌های دارای سطوح ترک شکل، که بسیار شبیه ذغال در حال سوختن هستند، تولید گردید. در واقع استفاده از غلظت مناسبی از اتیلن گلیکول، دما، زمان و تعداد دفعات بهینه در فرآیند هیدروترمال مانع رشد کامل کریستال شده و سطوح شبیه ترکی را بر روی سطح نانومیله ایجاد نمود. این نانومیله‌ها در مقایسه با نانومیله‌های معمولی سطح مؤثر و خاصیت پراکنده‌کنندگی نور بسیار بالاتری داشته و در نتیجه سبب افزایش قابل توجه راندمان سلول خورشیدی می‌گردند.»
به گزارش ستاد توسعه فناوری نانو،نتایج این مطالعات نشان داده که با استفاده از این فرایند و ایجاد عیوب ترک شکل بر روی نانو میله‌های موجود در لایه پراکنده‌کننده‌ی نور، سطح مؤثر و در نتیجه میزان جذب رنگ به مقدار 20 درصد و بازده سلول خورشیدی به میزان 10 درصد افزایش می‌یابد.
این تحقیقات حاصل همکاری دکتر خطیب الاسلام صدر نژاد – عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف- دکتر نسترن ریاحی نوری- مدیر گروه مواد غیرفلزی پژوهشگاه نیرو- مهسا جلالی- دانش‌آموخته رشته مهندسی مواد- و روزبه سیاوش موخر- دانشجوی دکترای مهندسی مواد دانشگاه صنعتی شریف- و محققان سنگاپوری است. نتایج این کار در مجله‌ی Journal of Applied Electrochemistry (جلد 45، شماره 8، سال 2015، صفحات 831 تا 838) منتشرشده است.
