انقلابی در فناوری سلول های خورشیدی
به گزارش گروه هوش مصنوعی، اصفهان سلول های خورشیدی پروسکایتی و ترکیبی با بازدهی بالا، همراه با فناوری های نانو و BIPV، مسیر آینده انرژی خورشیدی را متحول می کنند.
در سالهای اخیر، با افزایش نگرانی ها در رابطه با تغییرات اقلیمی و کاهش منابع انرژی فسیلی، توجه جهانی به انرژی های تجدیدپذیر به صورت قابل ملاحظه ای افزایش پیدا کرده است. در بین این منابع، انرژی خورشیدی به علت فراوانی، دسترسی ساده و پتانسیل بالای تولید برق پاک، جایگاه ویژه ای پیدا کرده است. سلول های خورشیدی بعنوان یکی از اصلی ترین فناوری های تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، نقشی کلیدی در این تحول ایفا می کنند. با این وجود، بهینه سازی عملکرد سلول های خورشیدی و افزایش بازده آنها همواره یکی از چالش های مهم در راه توسعه این فناوری بوده است.
پیشرفت های علمی و فنی در حوزه مواد، طراحی های مهندسی و تکنولوژی های جدید، گامهای موثری در بهبود عملکرد سلول های خورشیدی برداشته اند. محققان همواره در تلاش اند تا با استفاده از مواد جدید، طراحی های کارآمدتر و راهکارهای فناورانه، بازده سلول های خورشیدی را بالا برند و هزینه های تولید آنها را کاهش دهند. علاوه بر این، توسعه راهکارهای نوین برای افزایش بهره وری این فناوری در شرایط محیطی نامطلوب، ادغام آن با سیستم های دیگر و کاهش اثرات زیست محیطی، از موضوعات مهم و مورد توجه در این حوزه می باشد.
هم زمان با رشد فناوری های در رابطه با انرژی خورشیدی، ادغام این فناوری در حوزه های مختلف هم درحال گسترش است. از ساختمان های هوشمند گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاههای قابل حمل، سلول های خورشیدی بعنوان منبعی پایدار و پاک درحال نقش آفرینی هستند. این روند نشان دهنده ظرفیت بالای انرژی خورشیدی در تأمین بخشی از نیازهای روز افزون انرژی جهان است.
با وجود پیشرفت های فراوان، هنوز چالش هایی در راه توسعه این فناوری وجود دارد. محققان در تلاش اند با یافتن راهکارهای نوآورانه، محدودیت های موجود را برطرف کرده و زمینه ساز استفاده گسترده تر از انرژی خورشیدی در آینده ای پایدار شوند.
رضا کشاورزی، عضو هیأت علمی گروه شیمی معدنی دانشگاه اصفهان که از محققان طراحی سلول های خورشیدی فوتوولتائیک پروسکایتی با همکاری محققان دانشگاه کالج لندن و آکادمی علوم چین در سالهای اخیر است، به ایسنا می گوید: فناوری سلول های خورشیدی بر پایه بهره برداری از مواد مختلفی استوار است که هر یک خصوصیت های منحصربه فردی دارند و بر بازده و عملکرد کلی این سلول ها تاثیر می گذارند. هم اکنون، سه نوع اصلی از سلول های خورشیدی شامل سلول های خورشیدی سیلیکونی، سلول های خورشیدی لایه نازک کادمیوم تلوراید و سلول های خورشیدی پروسکایتی بیش ترین توجه را به خود جلب کرده اند.
وی می افزاید: سلول های خورشیدی سیلیکونی، رایج ترین و پرکاربردترین نوع در بازار امروز، از سیلیکون تک کریستال بعنوان ماده اصلی بهره می برند. ساختار منظم کریستالی این ماده سبب می شود تا الکترون ها مسیر مشخصی برای حرکت داشته باشند و در نتیجه بازده تبدیل انرژی افزایش یابد. در مقابل، سلول های خورشیدی لایه نازک که به طور عمده از کادمیوم تلوراید تشکیل شده اند، به علت امکان تولید در چارچوب های منعطف و هزینه ساخت کمتر، مورد توجه قرار گرفته اند. این سلول ها قابلیت استفاده در کاربردهای متنوعی را دارند که در آنها انعطاف پذیری و سبکی از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد.
بازدهی ۳۰ درصد سلول های خورشیدی ترکیبی
عضو هیأت علمی گروه شیمی معدنی دانشگاه اصفهان با اشاره به اینکه از طرفی، سلول های خورشیدی پروسکایتی که در سالهای اخیر پیشرفت قابل ملاحظه ای داشته اند، به علت توانایی فوق العاده در جذب نور، به گزینه ای نویدبخش برای آینده تبدیل گشته اند، ادامه می دهد: این سلول ها قادرند بخش بزرگی از طیف نوری خورشید را جذب کرده و بازده بالاتری را نسبت به خیلی از فناوری های موجود عرضه کنند. اخیرا ترکیب سلول های خورشیدی سیلیکونی و پروسکایتی هم مورد توجه قرار گرفته است. این سلول های ترکیبی که بازدهی بیشتر از ۳۰ درصد دارند، نشان دهنده گامی بزرگ در افزایش کارآمدی فناوری های خورشیدی هستند.
کشاورزی ضمن اشاره به این که افزون بر نوع مواد مورد استفاده، بهره برداری از لایه های ضد بازتاب هم اهمیت بالای ی در افزایش بازدهی سلول های خورشیدی ایفا می کند، بیان می کند: این لایه ها با کاهش انعکاس نور و هدایت بیشتر آن به داخل سلول، بهره وری نوری را به میزان قابل توجهی می افزایند. همچون مهم ترین مواد مورد استفاده در این لایه ها میتوان به سیلیکا، سیلیکون نیترید و منیزیم فلوراید اشاره نمود که همگی به شکل پوشش هایی نازک بر سطح بیرونی پنل های خورشیدی اعمال می شوند. عملکرد این لایه ها بگونه ای است که مانع از بازتاب بخش قابل توجهی از نور خورشید شده و در نتیجه، میزان نوری که توسط سلول جذب و به الکتریسیته تبدیل می شود، افزایش خواهد یافت. بدین ترتیب، پیشرفت در حوزه مواد و طراحی سلول های خورشیدی، گامی اساسی در راه افزایش بازدهی و بهینه سازی عملکرد این فناوری بحساب می آید. انتخاب مواد مناسب و استفاده از روشهای فنی پیشرفته در کاهش تلفات نوری و الکترونی، به صورت مستقیم بر بهره وری و کار آمدی این سلول ها تاثیر گذاشته و آینده ای روشن تر برای انرژی خورشیدی رقم خواهد زد.
وی اظهار می کند: طراحی مهندسی پنل های خورشیدی می تواند تاثیر قابل توجهی بر جذب بیشتر نور خورشید داشته باشد. یکی از مهم ترین عوامل، بهینه سازی زاویه و موقعیت پنل های خورشیدی است. قرار دادن پنل ها رو به جنوب و تنظیم زاویه مناسب آنها برای برخورد مستقیم نور خورشید، می تواند کارآمدی سیستم را به صورت قابل ملاحظه ای افزایش دهد، همینطور درنظر گرفتن راهکارهایی برای نگهداری و تمیز کردن منظم پنل ها در طراحی اولیه، می تواند به حفظ کارآمدی بالای سیستم با گذشت زمان کمک نماید. این عوامل در کنار انتخاب مواد و تکنولوژی های مناسب در ساخت پنل ها مانند استفاده از پوشش های ضدبازتاب و بلورهای فوتونی، می توانند به صورت قابل توجهی جذب نور خورشید و در نتیجه تولید انرژی را بالا برند.
دکترای شیمی معدنی می گوید: فناوری نانو در سالهای اخیر پیشرفت های قابل توجهی در بهبود عملکرد سلول های خورشیدی بوجود آورده و استفاده از نانوذرات مانند نقاط کوانتومی و نانوذرات طلا و نقره سبب افزایش جذب نور خورشید شده، همینطور توسعه نانوپوشش های خودتمیزشونده و ضد انعکاس به افزایش تولید انرژی کمک کرده است. پیشرفت های دیگر شامل ساخت سلول های خورشیدی کاملا شفاف است. در هر حال، این پیشرفت ها منجر به معرفی نسل جدیدی از سلول های خورشیدی مبتنی بر نانوساختارها شده که شامل انواع پروسکایتی، رنگدانه ای، نقاط کوانتومی و پلیمری می شود.
کشاورزی در رابطه با این که یکپارچه سازی سلول های خورشیدی با مصالح ساختمانی (مانند شیشه های هوشمند یا نمای ساختمان ها) امکانپذیر است یا خیر می افزاید: این امکان وجود دارد و این فناوری درحال پیشرفت است که با عنوان BIPV شناخته می شود.
وی با اشاره به اینکه BIPV (Building-Integrated Photovoltaics) فناوری یکپارچه سازی سلول های خورشیدی با عناصر معماری ساختمان مانند پنجره ها، درب ها، سقف ها و دیوارهاست، ادامه می دهد: این سیستم علاوه بر تولید برق، وظایف پوششی ساختمان مانند محافظت در مقابل آب و هوا، عایق حرارتی و صوتی را هم انجام و بعنوان بخشی از ساختار خارجی ساختمان، زیبایی آنرا هم بالا می برد.
عضو هیأت علمی دانشکده شیمی دانشگاه اصفهان اضافه می کند: روش های نوین برای افزایش کارآمدی سلول های خورشیدی در شرایط کم نور شامل توسعه سلول های پروسکایتی با قابلیت جذب نور بالا و ترکیب آنها با سلول های سیلیکونی است که بازدهی را تا بیشتر از ۳۰ درصد می افزایند.
کشاورزی می گوید: سلول های خورشیدی درحال پیشرفت قابل توجهی برای تولید انرژی در وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاههای قابل حمل هستند. در مورد خودرو های برقی، شرکت هایی مانند تویوتا و بی ام دبلیو درحال آزمایش نسل جدیدی از سلول های خورشیدی هستند که می توانند انرژی خورشیدی را با بازدهی بالا به برق تبدیل کنند. تویوتا در نسخه های جدید از یک سلول خورشیدی نواری استفاده می نماید که می تواند روی سطح خودرو کشیده شود تا بهره وری سیستم ارتقا یابد. این نوار نازک می تواند روی انحناهای خودرو در سقف، کاپوت و درب صندوق عقب به سادگی بنشیند. به صورت کلی، استفاده از سلول های خورشیدی منعطف امکان نصب آنها را روی سطوح منحنی خودرو مثل سقف و کاپوت فراهم می آورد. سلول های خورشیدی پروسکایتی و لایه نازک بر پایه کادمیوم تلوراید به علت قابلیت لایه نشانی روی سطوح منعطف می توانند این نقش را ایفا کنند.
تا سال ۲۰۵۰ چندین تن پنل خورشیدی به انتهای عمر خود می رسند
وی با عنایت به این که تولید صنعتی سلول های خورشیدی با بازده بالا و هزینه پایین نیازمند ترکیب فناوری های پیشرفته(مانند ترکیب سلول های خورشیدی پروسکایتی و سیلیکونی)، بهینه سازی فرایندها و تولید انبوه است، می گوید: تولید در مقیاس انبوه با استفاده از خطوط تمام اتوماتیک(کاهش ۴۰٪ هزینه های تولید) برای کاهش خطای انسانی و افزایش سرعت، نقش کلیدی دارد، همینطور بهینه سازی زنجیره تأمین مواد اولیه(مانند خرید عمده و در دسترس بودن) هزینه ها را می کاهد. کنترل کیفیت چندمرحله ای شامل تست های عملکردی و پایداری سنجی تحت شرایط مختلف جوی هم برای حفظ استانداردهای بازده ضروریست.
این استاد دانشگاه اظهار می کند: با عنایت به این که تا سال ۲۰۵۰، چندین میلیون تن پنل خورشیدی به انتهای عمر خود خواهند رسید، برنامه ریزی برای بازیافت این پنل ها به یکی از دغدغه های مهم فعالان محیط زیست تبدیل گشته است. روش های بازیافت شامل جداسازی قطعات مختلف پنل ها مانند قاب آلومینیومی، شیشه و ماژول های سیلیکونی است. برای ماژول های سیلیکونی، از روش آسیاب کردن و جداسازی مواد استفاده می شود که حدود ۸۰ درصد قطعات را قابل بازیافت می کند. برای ماژول های غیر سیلیکونی، از محلول های شیمیایی برای جداسازی مواد نیمه رسانا میتوان استفاده نمود. این اقدامات به حفظ محیط زیست و استفاده مجدد از مواد پرارزش کمک می نماید.
کشاورزی بیان می کند: سلول های خورشیدی ارگانیک(OPV) و پروسکایتی به علت خصوصیت های نوآورانه خود، پتانسیل جایگزینی فناوری های سنتی انرژی خورشیدی را دارند. سلول های ارگانیک با استفاده از مواد آلی و فرایندهای تولید کم هزینه، انعطاف پذیری بالا، وزن سبک و قابلیت کاربرد در سطوح مختلف، گزینه ای جذاب برای کاربردهای متنوع مانند پنجره های شفاف و دستگاههای پوشیدنی هستند. هرچند بازده کنونی آنها نسبت به سلول های سیلیکونی پایین تر است، اما پیشرفت در افزایش بازده و پایداری این فناوری می تواند آنرا به گزینه ای رقابتی برای آینده تبدیل کند.
وی ادامه می دهد: از طرفی، سلول های پروسکایتی با راندمان بالا(بیش از ۳۰ درصد در ترکیب با سیلیکون) و هزینه تولید پایین، توجه گسترده ای را به خود جلب کرده اند. این سلول ها به علت انعطاف پذیری و قابلیت تولید انبوه، می توانند در کاربردهایی مانند ساختمان ها و دستگاههای الکترونیکی جایگزین پنل های سیلیکونی شوند. با این وجود، چالش هایی مانند ناپایداری و تأثیرات زیست محیطی مواد مورد استفاده هنوز مانع تجاری سازی گسترده آنها است. با ادامه تحقیقات برای رفع این محدودیت ها، سلول های پروسکایتی نقش کلیدی در تحول انرژی پاک آینده ایفا خواهند کرد و پیشبینی می شود تا سال ۲۰۳۰ سلول های خورشیدی پروسکایتی وارد بازار شوند و بخش اعظم تجارت در ارتباط با صنعت فوتوولتائیک را به خود اختصاص دهند.
عضو هیأت علمی دانشگاه اصفهان می افزاید: سیستم های ذخیره انرژی را میتوان برای سازگاری بهتر با سلول های خورشیدی از راه چندین استراتژی بهینه کرد. ادغام اینورترهای هوشمند با قابلیت های کنترل بهبودیافته می تواند عملکرد، کارآمدی و قابلیت اطمینان سیستم های ذخیره سازی خورشیدی را افزایش دهد.
کشاورزی با اشاره به اینکه به کارگیری باتری های LiFePO۴ می تواند مزایای قابل توجهی همچون ایمنی پیشرفته، طول عمر بیشتر و اثرات زیست محیطی کمتر را فراهم آورد، می گوید: این باتری ها به علت عملکرد پایدار در شرایط آب و هوایی مختلف و چرخه های شارژ طولانی تر، گزینه مناسبی برای سیستم های ذخیره سازی انرژی خورشیدی هستند. علاوه بر این، مدیریت هوشمندانه شارژ و تخلیه سیستم ذخیره سازی برای کار در شرایط بار پایه و دوره های با قیمت برق بالا، می تواند به افزایش کارآمدی و سودآوری سیستم کمک نماید.
به گزارش گروه هوش مصنوعی به نقل از ایسنا، پیشرفت های اخیر در فناوری سلول های خورشیدی، همچون ترکیب سلول های پروسکایتی و سیلیکونی، توسعه نانومواد و یکپارچه سازی با معماری ساختمان (BIPV)، نویدبخش افزایش بازدهی و کاهش هزینه های تولید است. در عین حال، چالش هایی همچون پایداری سلول های پروسکایتی و بازیافت پنل های فرسوده، نیازمند پژوهش و راهکارهای نوآورانه است. با ادامه این مسیر، پیشبینی می شود که تا سال ۲۰۳۰، سلول های خورشیدی پروسکایتی سهم عمده ای از بازار انرژی تجدیدپذیر را به خود اختصاص دهند و تحولی اساسی در تأمین انرژی پایدار ایجاد کنند.
منبع: iagrp.ir
مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب