طراحی و ساخت سلول های خورشیدی در دانشگاه شهید چمران اهواز
این موفقیت در ادامه اجرای یک پروژه تحقیقاتی با عنوان طراحی و ساخت سلول های خورشیدی سیلیکن آمورف هیدروژنه برای شرکت برق منطقه ای خوزستان با مدیریت دکتر عبدالنبی کوثریان دانشیار گروه برق دانشکده مهندسی حاصل شد و به تولید موفقیت آمیز سلول های خورشیدی موسوم به فیلم نازک – نژاد دوم – برای نخستین بار در کشور انجامید.
ثبت طرح در معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری
دکتر کوثریان با بیان اینکه در این پروژه روی فناوری های تولید سلول های خورشیدی thin film از نوع سیلیکن آمورف هیدروژنه کار شده است، اظهار کرد: تاکنون در کشور در زمینه تولید این نوع از سلول های خورشیدی و فناوری طراحی و ساخت آن کار نشده است.
وی خاطرنشان کرد: این طرح در معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری به ثبت رسیده و دارای کد شناسایی است، اکنون نیز به عنوان یک طرح شاخص با حمایت مادی و معنوی شرکت برق منطقه ای خوزستان در حال اجرا است.
بازطراحی سامانه ها در بومی ترین حالت ساخت
این پژوهشگر با بیان اینکه کاری که در این آزمایشگاه تحقیقاتی انجام شد بازطراحی سامانه ها برای ایجاد بومی ترین حالت ساخت این نوع از سلول های خورشیدی بوده است، گفت: تا حد ممکن تمام سامانه ها بر اساس نیاز و با توجه به مواد در دسترس بومی شده اند؛ چند دانشجوی دکترای دانشگاه کارهای تحقیقاتی مرتبط با پایان نامه خود را در این مرکز انجام دادند و تقریبا جزء به جزء سامانه ها را بازطراحی و مشخصه های موردنظر را ایجاد کردند.
کوثریان با اشاره به حساسیت کار این سامانه ها و وجود گازهای بسیار سمی، خطرناک و انفجاری در فرآیند تولید این مواد، اظهارکرد: در بخش های مختلف این فرآیند از گازهای سایلان، هیدروژن، فسفان و دی بوران استفاده می شود که در صورت بروز کوچکترین اشتباه و نشتی یا دقیق نبودن تنظیمات، می تواند کل سامانه را با خطر انفجار روبه رو کند.
وی افزود: با توجه به این حساسیت ها چندین سال با دقت و ظرافت خاصی روی جزء به جزء این سامانه کار شده است که همه اجزاء کاملا قابلیت مهار پیدا کرده اند و توانستیم گازهای واکنشگر را با دقت به سمت رآکتورها هدایت کنیم.
سامانه منحصر به فرد ساخت سلول های خورشیدی در کشور
مدیر پروژه طراحی و ساخت سلول های خورشیدی فیلم نازک با بیان اینکه این سامانه از نقطه نظر فناوری و ساخت در کشور منحصر به فرد است، افزود: آماده کردن و بازطراحی سامانه ها عمده وقت تیم را به خود اختصاص داد و نصب اتصالات و ایمن سازی سامانه ها حداقل سه سال به طول انجامید زیرا تست های متعدد و دقیق برای اطمینان از ایمن بودن سامانه لازم بود.
کوثریان با اشاره به اینکه طراحی ها چند بار تغییر داده شد تا ایمنی حداکثری حاصل شود، گفت: خوشبختانه پس از صرف مدت زمان طولانی و رفع مشکلات فنی، بهمن امسال توانستیم شرایط مختلف موردنیاز برای ساخت سلول خورشیدی فیلم نازک مبتنی بر سیلیکن آمورف هیدروژنه را ایجاد کنیم.
وی با بیان اینکه سال 90 در یک طرح تحقیقاتی با شرکت برق منطقه ای خوزستان، پروژه طراحی و ساخت این نوع از سلول های خورشیدی کلید زده شد، اظهار کرد: در آن شرایط هم از نظر مادی و معنوی حمایت خوبی صورت گرفت اما بازطراحی سامانه ها و سیستم ایمنی آن حداقل سه سال طول کشید تا عملیاتی شود.
این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز در خصوص فناوری ساخت این سلول ها، افزود: این سلول در رآکتورهای'پی-ای-سی-وی-دیPECVD و اسپاترینگ در شرایط خاص ساخته شده و دارای ساختار پی–آی–انpin است و در بررسی های اولیه پارامترهای قابل قبولی از خود نشان داده است.
کوثریان گفت: سامانه PECVD برای انجام لایه نشانی در محیط پلاسما استفاده می شود اما باید با گازهای خطرناکی که در اختیار داشتیم سازگار می شد به همین دلیل برای بهینه سازی اصلاحاتی روی آن انجام شد تا کاملا با فناوری موردنیاز سازگار شود. در سامانه اسپاترینگ نیز بخشی از لایه ها رسوب داده می شود؛ لایه های اتصال برای ITO (یک لایه اکسید هادی شفاف) نیز به روش اسپاترینگ ایجاد می شوند و سپس لایه های اصلی در سامانه pin در محیط پلاسما تشکیل می شود.
هدف آتی تیم تحقیقاتی؛ بهینه سازی مشخصات و هدایت پروژه به سمت تولید نیمه صنعتی
وی با بیان اینکه این سلول دارای سه لایه عمده نوع p، i و n است، افزود: با توجه به اینکه در تست های انجام شده حداقل نتایج موردانتظار حاصل شده اکنون در حال کار روی بهبود خواص و بهینه سازی سامانه هستیم و هدف بعدی تیم تحقیقاتی بهینه سازی مشخصات سلول و هدایت پروژه به سمت تولید نیمه صنعتی خواهد بود.
این پژوهشگر با معرفی سامانه های مورد استفاده و چگونگی راه اندازی آنها اظهار کرد: برای ایجاد لایه های نانومتری و میکرومتری لازم به دستگاه های پیشرفته ای مانند دستگاه رسوب بخار شیمیایی به کمک پلاسما PECVD و دستگاه لایه نشانی کند و پاشSputtering نیاز بود.
بدنه اولیه این سامانه ها با حداکثر قابلیت بومی سازی و با کمترین ارزبری ممکن توسط یکی از شرکت های نوپای داخلی ساخته شد.
تغییرات و اصلاحات اساسی سامانه ها در طول چهار سال به دلیل مشکلات ایمنی
کوثریان ادامه داد: این سامانه ها در عمل به دلیل نشان دادن ضعف های جدی در آزمون های متعدد برای ایجاد قابلیت های عملیاتی و به ویژه غلبه بر مشکلات مرتبط با ایمنی دستگاه ها و مواد خطرناک مورد استفاده در آنها، توسط تیم تحقیقاتی سلول های خورشیدی دانشگاه شهید چمران مورد بازطراحی اساسی قرار گرفتند و در طول بیش ازچهار سال اصلاحات و تغییرات بسیار مهم و قابل توجهی بر روی سامانه ها انجام شد به گونه ای که سامانه ها تا مرز عملیاتی شدن ارتقا داده شدند.
وی با بیان اینکه مواد اولیه لازم شامل گازهای خورنده، بسیارخالص، اشتعال زا و سمی بود، گفت: برای کنترل و استفاده ایمن از این گازها به تمهیدات ویژه ای نیاز بود؛ انتقال گازها از کپسول های پرفشار به داخل دستگاه ها و همچنین دفع بی خطر گازهای مصرف نشده نیز از جمله چالش های اساسی بود.
مدیر این پروژه تحقیقاتی عنوان کرد: با توجه به اراده تیم تحقیقاتی و با تکیه بر روحیه خودباوری و اعتقاد به قابلیت های بومی و خودکفایی، با انجام تحقیقات و مطالعات فنی قوی و روزآمد، عملیات طراحی و پیاده سازی سامانه انتقال گازها و ایمن سازی سامانه ها، با تلاش شبانه روزی محققان تیم آزمایشگاه سلول های خورشیدی به بهترین و ایمن ترین شکل ممکن به انجام رسید و مورد بهره برداری قرار گرفت.
کوثریان با بیان اینکه سلول های خورشیدی دارای چهار نسل یا بهتر بگوئیم چهار نژاد Generation است، گفت: هرکدام از این انواع دارای مزیت ها و معایبی است. سلول های خورشیدی نژاد اول مبتنی بر سیلیکن های کریستالی است که موفقیت های خوبی را کسب کرده اما بسترها و زمینه های خاص کریستالی نیاز دارد.
مزیت های سلول های خورشیدی فیلم نازک نسبت به سیلیکن های کریستالی
وی ادامه داد: نوع دوم مبتنی بر فناوری فیلم نازک است که اکنون در حال کار روی آن هستیم و روی سیلیکن آمورف ساخته می شود؛ این نوع از سلول های خورشیدی نسبت به نژاد اول از برخی جنبه ها دارای محاسن عمده ای است. اول آن که روی زمینه های بسیار ارزان و انعطاف پذیر مانند شیشه و پلاستیک ساخته می شود در حالی که نژاد اول باید روی ساختارهای کریستالی ساخته شود البته راندمان آن نسبت به این نوع پایین تر است.
این پژوهشگر اضافه کرد: همچنین این نوع از سلول های خورشیدی در دمای بالا عملکرد بهتری نسبت به سیلیکن های کریستالی از خود نشان می دهند و حتی راندمان آن ها در دماهای بالاتر افزایش می یابد در حالی که در نوع اول راندمان به شدت افت می کند؛ یکی از انگیزه های تیم برای انتخاب این نوع تکنولوژی نیز سازگاری آن با شرایط اقلیمی منطقه است که بتوان قابلیت های آن را بهبود بخشید و قابل رقابت کرد.
کوثریان با اشاره به ساختار این سلول، توضیح داد: سلول دارای یک بستر و زیرلایه به عنوان نگهدارنده لایه های اصلی است که برای این منظور از یک شیشه معمولی تخت مستطیل شکل با ضخامت یک میلیمتر و مساحت 19 سانتیمتر مربع استفاده شده است. ویژگی استفاده از این نوع بستر شیشه ای یکی از مزایای مهم این فناوری است که باعث ارزان شدن محصول نهایی خواهد شد.
وی با بیان اینکه سلول دارای دو اتصال جلویی و پشتی است، افزود: از یک لایه رسانای شفاف به عنوان اتصال بالایی برای دسترسی الکتریکی به یکی از طرفین سلول استفاده شده که این لایه یک رسانای الکتریکی است و در عین حال به راحتی با تضعیف ناچیز نور خورشید را از خود عبور می دهد؛ این لایه به کمک لایه نشانی اکسید ایندیم – قلع (ITO) با دستگاه کند و پاش روی شیشه زیرلایه ایجاد شده است.
فناوری طراحی و تولید سلول های خورشیدی فیلم نازک
مدیر پروژه تحقیقاتی طراحی و ساخت سلول های خورشیدی گفت: لایه پنجره از جنس سیلیکن آمورف هیدروژنه نوع p با تشکیل پلاسمای مناسب درون رآکتور رسوب بخار شیمیایی به کمک پلاسما(PECVD)، با وارد کردن گازهای سایلان و هیدروژن به عنوان گازهای اصلی و گازدی بوران به عنوان گاز آلایشگر با روشی بسیار دقیق و کنترل شده ساخته شده است.
کوثریان افزود: لایه جاذب از جنس سیلیکن آمورف هیدروژنه ذاتی با وارد کردن گازهای سایلان و هیدروژن در شرایط مناسب تشکیل پلاسما به منظور ایجاد ضخامت و پارامترهای مطلوب تشکیل و لایه اتصال کاتد نیز از سیلیکن آمورف هیدروژنه نوع n در رآکتورPECVD و با وارد کردن گازهای سایلان و هیدروژن به عنوان گازهای اصلی و گاز فسفاین به عنوان گاز آلایشگر ساخته شد.
وی در خصوص ساخت لایه اتصال زیرین گفت: این لایه می بایست دارای هدایت الکتریکی بالا و بازتابگر خوبی برای نور باشد تا دسترسی الکتریکی به زیر سلول را فراهم و از خروج نور خورشید از سلول جلوگیری کند که باکمک لایه نشانی نقره با دستگاه کندوپاش ساخته و از این لایه جریان الکتریسیته تولیدی استخراج می شود.
این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز خاطرنشان کرد: تنظیم پارامترهای هر کدام ازاین لایه ها از قبیل نسبت ترکیب، ضخامت، دمای لایه نشانی و میزان غلظت ناخالصی نقش مهمی در خواص سلول خورشیدی نهایی ایفا می کند.
کوثریان در خصوص نوع سوم و چهارم این سلول ها بیان کرد: نژاد سوم بیشتر روی موارد پلیمری ساخته می شود و نوع چهارم هم ترکیبی است؛ با توجه به اینکه این فناوری ها در عرض همدیگر هستند بهتر است برای توصیف آن به جای نسل از واژه 'نژاد' استفاده شود.
امکان ورود به فاز تولید نیمه صنعتی درصورت حمایت متولیان فراهم است
وی با بیان اینکه ما دانش ساخت سلول های خورشیدی را در کشور تولید کردیم و در حال پیشرفت و بهینه سازی آن هستیم، گفت: در صورت اعلام درخواست شرکت ها و سازمان های متولی امر می توان تولید این سلول ها را در فاز نیمه صنعتی در رآکتورهای بزرگتر آغاز کرد. از محاسن این فناوری نیز این است که می توان این سلول ها را در مقیاس بسیار بزرگ حتی یک مترمربع تولید کرد مشروط بر آنکه رآکتور بزرگ شود در حالی که با استفاده از فناوری های دیگر سلول ها باید در اندازه کوچک ساخته شود.
کوثریان درباره وارد کردن فناوری نیروگاه های خورشیدی خانگی به کشور نیز با بیان این که اصلا چنین اقدامی را قبول ندارم، گفت: باید در زمینه تولید فناوری سرمایه گذاری و نیروی متخصص تربیت کنیم؛ اکنون دانشگاه در حال تربیت نیروی متخصص و فناور است و این دانش به نسل های بعد منتقل می شود.
اشباع بازار جایی برای کارهای تحقیقاتی باقی نمی گذارد
وی با تاکید بر اینکه اگر کشور بخواهد پیشرفت کند باید تحصیلات تکمیلی در زمینه های فنی گسترش یاید، افزود: این افراد می توانند سازنده ابزارهای پیشرفته تکنولوژیکی باشند اما وقتی بازار اشباع شود جایی برای کارهای تحقیقاتی باقی نمی ماند.
این پژوهشگر همچنین با انتقاد از برخی قراردادهای تجاری ایران با کشورهای دیگر، این اقدامات را مایه نگرانی برای محققان و اساتید دانشگاه ها دانست و گفت: بسیاری از این قراردادها بازار کشور ما را به رایگان در اختیار کشورهای دیگر قرار می دهد و فضا برای کارهای تحقیقاتی بسته می شود.
کوثریان افزود: البته خوشبختانه این طرح در وزارت نیرو جا افتاده و به دلیل آنکه همگام با تکنولوژی های روز دنیا است، مورد توجه مسئولان این بخش قرار گرفته است.
وی با تاکید بر لزوم توجه به کارهای تحقیقاتی زیربنایی، اظهارکرد: اکنون هزینه انرژی از طریق سوزاندن سوخت های فسیلی خواه از نظر اقتصادی و دیگر هزینه های جانبی و عوارض آن از لحاظ مسائل زیست محیطی، در حال افزایش است؛ از سوی دیگر انرژی خورشیدی جزو انرژی های پاک و دوستدار محیط زیست است و با توجه به تحقیقات در حال انجام در دنیا، هزینه های ساخت، تولید و بهره وری آن در حال کاهش است.
لزوم سرمایه گذاری و اعمال سیاست های تشویقی برای توسعه این فناوری
مدیر پروژه طراحی و ساخت سلول های خورشیدی دانشگاه شهید چمران اهواز با ابراز امیدواری از اینکه در آینده نزدیک تولید انرژی از طریق سلول های خورشیدی نسبت به سوخت های فسیلی مقرون به صرفه تر و تولید برق از طریق احتراق این سوخت ها غیرقابل توجیه خواهد شد، عنوان کرد: با توجه به این موضوع اگر از فناوری طراحی و ساخت این سلول ها عقب بمانیم در آینده برای جبران آن باید هزینه های بسیار بالاتری را متحمل شویم.
کوثریان با اشاره به لزوم سرمایه گذاری بر ساخت این سلول ها و پشتیبانی مادی و معنوی از سازندگان و تولیدکنندگان فناوری آن، گفت: اگر بتوانیم چنین کاری را انجام دهیم آینده از آن ما خواهد بود ضمن آن که بسیاری از کشورهای منطقه نیز می توانند بازار خوبی برای ما باشند و قدرت سیاسی کشور را در کنار قدرت اقتصادی و تکنولوژیکی آن بالا ببرند.
وی خاطرنشان کرد: هم اکنون اعمال سیاست های تشویقی و مکانیزم های حمایتی در این زمینه از سوی دولت لازم است اما در آینده با توجه به روند نزولی هزینه ساخت این سلول ها مقرون به صرفه خواهد شد، البته اگر جنبه های دیگر این فناوری مانند مسائل زیست محیطی نیز در نظر گرفته شود نسبت به سوخت های فسیلی قابل قیاس نیست.
سرمایه گذاری چهار میلیارد ریالی برای راه اندازی آزمایشگاه سلول های خورشیدی
این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز با اشاره به سرمایه گذاری چهار میلیارد ریالی برای راه اندازی آزمایشگاه تحقیقاتی سلول های خورشیدی این دانشگاه در سال 90، ارزش معنوی این آزمایشگاه را بسیار فراتر از مسائل مادی دانست و گفت: این آزمایشگاه می تواند یک مرکز تحقیقاتی بین رشته ای از تخصص های مختلف برق، شیمی، فیزیک، مکانیک، مواد و … باشد که دانشجویان مختلف پروژه های پایان نامه خود را در این مرکز انجام دهند.
کوثریان همچنین با اشاره به اینکه مطالعات در خصوص سلول های خورشیدی در دانشگاه شهید چمران از سال 87 و با انجام پایان نامه های متعدد آغاز شد، خاطرنشان کرد: کار تحقیقاتی حاضر به طور مشخص به سرپرستی اینجانب با مشارکت دو نفر از دانشجویان دکترای این دانشگاه، جبار گنجی و علیرضا کرامت زاده، انجام شد و نتایج تحقیقات به زودی در قالب مقاله در مجلات معتبر بین المللی نیز به چاپ خواهد رسید.
وی گفت: اکنون بزرگترین مانع سر راه ورود فراگیر برق خورشیدی به شبکه های تولید نیرو، هزینه به نسبت بالای راه اندازی اولیه آن است از این رو محققان کاهش بهای تمام شده پانل های خورشیدی را به عنوان یک پارامتر مهم و تعیین کننده برای بازار انرژی مورد پژوهش قرار می دهند.
ایران دارای بیشترین ظرفیت بهره برداری کارآمد از فناوری سلول های خورشیدی
این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز با مقایسه سلول های خورشیدی فیلم نازک نسبت به سایر سلول های خورشیدی، اظهار کرد: این سلول ها در دورنمای جهانی نقش مهمی در جایگزین کردن انرژی های تجدیدشونده، پاک و ایمن به جای سوخت های فسیلی و سایر منابع انرژی ناسالم ایفا می کنند.
کوثریان اضافه کرد: کشور ما در گستره وسیعی دارای میزان انرژی دریافتی بسیار زیادی از خورشید است و از این نظر در زمره کشورهای با بیشترین ظرفیت بهره برداری کارآمد از این منبع انرژی قرار دارد.
وی افزود: بومی شدن فناوری ساخت این نوع از سلول های خورشیدی، نوید بخش آینده ای روشن در عملیاتی کردن این ظرفیت و کاهش وابستگی کشور به سوخت های فسیلی خواهد بود که از خروج ارز هنگفت از کشور جلوگیری می کند.
کوثریان گفت: از سوی دیگر در صورت حمایت و سیاستگذاری درست، کشور می تواند به صادرکننده این محصول و جذب منابع ارزی قابل توجه تبدیل شود و مهم تر آنکه دستیابی به فناوری های روز دستاورد مهمی است که کشور را قادر به رقابت در عرصه فناوری های برتر خواهد کرد.
