فناوری‌های به کار رفته در سلول‌های فتوولتائیک

۱- مقدمه

سه نسل از فناوری‌های سلول‌های فتوولتائیک وجود دارد[۱]. سلول‌های خورشیدی نسل اول برروی ویفرهای سیلیکونی تک کریستالی با کیفیت بالا ساخته می‌شوند و شامل دیودهای تک پیوند n-p با منطقه بزرگ می‌باشند که می‌توانند راندمان بسیار بالا ( نزدیک به ۳۳%) را بدست آورند؛ اما هزینه تولید آنها بسیار زیاد است.

سلول‌های خورشیدی نسل دوم، سلول‌های خورشیدی لایه نازک^[۱] برپایه کادمیوم تلوراید (CdTe) مس ایندیم گالیم سلناید^[۲] (CIGS)، سیلیکون آمورف^[۳] و سیلیکون میکرومورف^[۴] نیاز به انرژی و هزینه کمتری برای تولید دارند. البته این نسل به علت نقص‌های ذاتی ناشی از روش‌های پردازش با کیفیت پایین، راندمان تبدیل انرژی بسیار پایین‌تر نسبت به نسل اول دارند.

فناوری نسل سوم سلول‌های خورشیدی به منظور افزایش بهره‌وری نسبت به سلول‌های خورشیدی نسل دوم توام با پایین نگه‌داشتن هزینه‌های تولید رواج یافتند. بطور کلی سه روش در تولید این نسل وجود دارد:

۱. استفاده از سلول‌های فتوولتائیک چند اتصالی

۲. افزایش شدت نور و استفاده از نسل حرارتی به منظور افزایش اختلاف پتانسیل یا مجموع حامل‌ها. ( به عنوان مثال سلول‌های ترکیبی فتوولتایک حرارتی )

۳. استفاده از نانو مواد نیمه هادی با هدف دستیابی به راندمان بیشتر با صرف هزینه کمتر.

۲- استفاده از نانو مواد در سلول_‌های فتوولتائیک

نقاط کوانتومی نانوکریستال (NQDs)^[۵] ذرات نیمه‌رسانای تک بلوری نانومتری، به عنوان مثال سیلیسیم Si هستند. (شکل ۱)[۲] باتوجه به اثر حبس کوانتومی^[۶]، جذب نور و طول‌موج انتشار آنها می‌تواند با تنظیم اندازه نقاط کوانتومی نانومتری کنترل شود. (شکل ۲). علاوه براین، محققان در آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا اخیرا نشان داده‌اند که نانو کریستال‌های سیلیکون می‌توانند دو یا سه اکسایتون^[۷] در فوتون انرژی بالا از نور خورشید را جذب کنند در حالی که سیلیسیم سیال در فوتون انرژی بالا می‌تواند تنها یک اکسایتون تولید کند. استفاده از نانو کریستال‌ها به عنوان مواد جاذب نور، معمولا برروی یک ماتریس پشتیبان از پلیمرهای رسانا یا اکسیدهای فلزی مزومتخلخل با سطح زیاد (مثل TiO₂) صورت می‌گیرد.

شکل ۱- میکروسکوپ TEM نقطه کوانتومی سیلیکون کریستالی ۷ نانومتری. [۲]

شکل ۲- طیف انتشار و رنگ به عنوان تابعی از اندازه ذرات یک نقطه کوانتومی [۳]

سلول‌های خورشیدی نانوکریستال دارای بازده تبدیل انرژی نظری ۴۰% می‌باشند در حالی که نمونه پانل‌های خورشیدی برپایه توده سیلیکون در حدود ۲۰% می‌باشد [۳]. سلول‌های خورشیدی نانوکریستال را می‌توان با تنظیم اندازه نانوکریستال‌ها برای جذب نور از طول‌موج‌های مختلف تنظیم کرد[۴]. علاوه براین، ضخامت لایه جذب کننده در سلول‌های نانوساختار می‌تواند تا ۱۵۰ نانومتر، ۱۰ برابر کمتر از سلول‌های خورشیدی نازک فیلم کاهش یابد. برای سلول‌های چند لایه نازک فیلم، استفاده از نانومواد کریستالی به دستیابی به ساختاری بلوری منظم کمک می‌کند که بیشتر باعث افزایش کارایی تبدیل انرژی می‌شود. یک نمونه از لایه‌های نانوساختار در سلول‌های خورشیدی نازک فیلم، اخیرا توسط Singh و همکارانش گزارش شده است[۵]. فیلم‌های نانوکریستال کادمیوم تلوراید (CdTe) و کادمیوم سلناید (CdS) برروی شیشه که با زیرلایه اکسید قلع ایندیوم (ITO) پوشش داده شده است به عنوان لایه پنجره‌ای پتانسیل نوع n در اتصال هومو (همتو^[۸]) p-n سلول‌های خورشیدی نازک فیلم CdTe سنتز شده است. نانوکریستال‌های CdTe به قطر حدودا ۱۲ نانومتر یک گاف نواری موثر ۲/۸ الکترون ولتی را نشان می‌دهد، که یک تغییر آشکار آبی رنگ ۱/۵ الکترون ولتی نسبت به توده CdTe است. (شکل ۳) همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است، فیلم‌های نانوفیبر CdS (تشکیل شده در داخل فیلم‌های متختخل TiO₂) که روی یک پلاستیک یا شیشه با زیرلایه‌ی ITO پوشش داده شده است.

شکل ۳- مثال نانومواد برای تولید سلول‌های فتوولتائیک. (سمت چپ) FE-SEM تصویری از یک فیلم CdTe نانوکریستالیک بر روی بستر شیشه‌ای ITO پوشش داده شده است. این درج طیف جذب یک فیلم CdTe نانوکریستال را در بستر شیشه‌ای تحت پوشش ITO نشان می‌دهد. (راست) پیکربندی دستگاه یک سلول خورشیدی/ CdTe گرافیتی شیشه ای/ (ITO / n-nanoCdTe / p-bulk CdTe / graphite) [۴]

شکل ۴- تصویر FE-SEM از فیلم CdS متخلخل بر روی بستر پلاستیکی (چپ) و فیبر CdS در بستر شیشه‌ای پوشش داده شده ITO ( سمت راست) [۴]

سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک حساس شده با رنگ (PES^[۹]DSSC یا سلول‌های Grätzel)^[۱۰] یک کلاس جدید از سلول‌های خورشیدی لایه نازک با هزینه کم را نشان می‌دهد (شکل ۵)[۵]. نانو ساختارهای TiO₂،CeO₂ ،CdS و CsTe برای جذب نور از اهمیت زیادی برخوردارند[۶]. جنبه‌‌های مختلف مواد با تمرکز بر کنترل اندازه و شکل نانوبلورها برای استفاده از آنها در سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ مطالعه شده است[۷]. از این میان در تمامی سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ مورد مطالعه، سلول‌های بر پایه TiO₂ بهترین نتایج را ارائه می‌دهند؛ هر چند عملکرد مطلق هنوز بسیار کم است [۸]. دو روش مختلف برای افزایش برداشت انرژی در سلول‌های PES برپایه TiO₂ توسط گروه کورما[۱۱] براساس کریستال‌های فوتونی^[۱۲] (PC) و اسفنج‌های فوتونی^[۱۳] (PhS) جدید بدست آمده است که نشان می‌دهد [۹] وقتی که الکترود‌های تیتانا (TiO₂) برای ساختن فوتون‌ها ساختار یافته‌اند، عملکرد فوتوالکتریک بسیار بهتر می‌شود. در واقع بهره‌وری کل سلول‌های حساس به رنگ توسط یک عامل از پنج عامل توپولوژی^[۱۴] در PhS افزایش یافته است ( شکل ۶) که همچنین پاسخ نوری در محدوده ۳۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر گسترش می‌یابد.

شکل ۵– سلول $\mathrm{Grätzel}$  [۵]

شکل ۶– (چپ) تصاویر SEM از نانوذرات تیتانیایی که در معماری PhS مرتب شده‌اند. حفره‌های کوچکتر در بین مناطق بزرگتر (نوار مقیاس: ۱ میکرومتر) تنظیم می‌شوند. (راست) طیف نوری برای استاندارد (خط منقطع) و PHS (خط پیوسته) الکترودهای تیتانیا. افزودگی مربوط به طیف I-V از سلول‌های PES تحت شرایط AM ۱/۵ نشان می‌دهد.[۹]

گریمس و همکارانش [۱۰] نشان دادند (شکل ۷) که با جایگزین کردن نانوذرات TiO₂ با آرایه‌های نانولوله‌های TiO₂ که از سلول‌های PES حاصل شده‌اند، اثر بخشی تبدیل نور را تا حد امیدوار کننده‌ای بالاست. اعتقاد بر این است که نانولوله‌ها موجب کاهش مقاومت در برابر الکترون و انتقال بار می‌شوند. با این حال، اندازه سلول باید بزرگ باشد.

شکل ۷- مقیاس تصویر FE-SEM از آرایه نانولوله  TiO ₂ ( نوار مقیاس: ۱۰۰ نانومتر). [۱۰]

به دنبال یک روش مشابه، بهره‌وری از سلول‌های خورشیدی می‌تواند بطور قابل توجهی با تسهیل انتقال بار از طریق ترکیب نانو لوله‌های کربنی و فولرین در ماتریس مواد نیمه‌هادی دیگر افزایش می‌یابد. در سال 2005، گولدی و همکارانش[۱۱] مولکول‌های پروفیرین^[۱۵] را به دیواره‌های نانو لوله‌های کربنی تک دیواره (SWNT) متصل کردند و برای اولین بار یک فرایند انتقال الکترون القایی را در اجتماع ترکیب نانوله‌ها نشان دادند. نویسندگان اثبات کردند وقتی که آنها در معرض نور در محدوده قابل رویت می‌گیرند، الکترون‌ها از مولکول‌های پروفیرین به دیواره‌های نانولوله منتقل می‌شوند. همانطور که نویسندگان بیان می‌کنند "این جداسازی شارژ برای هدایت و استفاده از الکترون‌ها به اندازه کافی طولانی است." نتایج گولدی بیان می‌کند که "اولین معیار برای توسعه سلول‌های خورشیدی بر اساس نانولوله‌های کربنی اصلاح شده است."[۱۲]

اخیرا دانشمندان موسسه تحقیقاتی گرجستان (GTRI) یک سلول خورشیدی سه بعدی 3D جدید را که از نانولوله‌های کربنی تشکیل شده است را ساخته‌اند. (شکل ۸) [۱۳] پس از آن، برج‌های میکرومتری با مواد فعال نوری CdTe و CdS پوشش داده می‌شوند که به ترتیب به عنوان لایه‌های فتوولتائیک n و p به کار می‌روند. در نهایت، سلول با ITO شفاف به عنوان الکترود بالا پوشش داده شده است. برج‌های میکرومتری نانولوله‌های کربنی هم به عنوان یک اتصال مواد فتوولتائیک به سیلیکون (محل اتصال پایین) و هم به عنوان حمایت کننده از آرایه‌های 3D که بطور موثرتر نور خورشید را از زوایای مختلف جذب می‌کنند عمل می‌کنند.

شکل ۸- (چپ) تصویر مقطعی نشان می‌دهد پوشش تلورید کادمیوم در اطراف یکی از برج‌های میکرومتری نانولوله کربنی (نوار مقیاس: ۱۰ میکرومتر). (راست) سه بعدی از سلول خورشیدی مبتنی بر نانولوله (نوار مقیاس: ۲۰ میکرومتر). [۱۳]

سلول‌های خورشیدی آلی یا پلیمری یکی دیگر از کلاس‌های نسبتا جدید سلول‌های خورشیدی کم هزینه هستند. کارایی‌های معمولی در محدوده ۱/۵ تا ۶/۵% با استفاده از دولایه تبخیر شده [۱۴] توده متشکل از پلیمر-فولرن[۱۵]، ترکیبات مولکولی [۱۶] و دستگاه‌های ترکیبی آلی/غیرآلی [۱۷] می‌باشد. در مقایسه با دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون، کارایی سلول‌های خورشیدی آلی نسبتا کم است. با این حال هزینه‌ی ساخت بسیار ارزان تر است. علاوه براین، آنها در برنامه‌های کاربردی که می‌بایست آنها وزن سبک، انعطاف پذیری و قابلیت استفاده راحت داشته باشند مطلوب می‌باشند.

فیزیک نور دستگاه‌های فتوولتائیک آلی بر مبنای انتقال عکس بار ناشی از پلیمرهای کانونی زنجیره‌ای به پلیمرهای گیرنده یا مولکول‌ها به جای اتصالات p-n نیمه هادی است. به نظر می‌رسد بهبود در کنترل مورفولوژی نانومواد همراه با توسعه مواد جدید پرتوهای کم با جذب بهتر نور و قابلیت حمل بار سریع تر، به سلول‌های آلی خورشیدی می‌انجامد که می‌توانند راندمان تبدیل قدرت را به ۱۰ درصد و بالاتر از آن برسانند. کنترل مورفولوژی نانومقیاس به شدت به پارامترهای مختلفی نظیر انتخاب مواد و حلال‌ها، نسبت وزن دهی کننده گیرنده‌ها، روش رسوب، خشک شدن و انحلال بستگی دارد. دو روش برای ایجاد نانومورفولوژی به خوبی کنترل شده است. اولین نمونه از خودآرایی از بلوک کوپلیمرهای نیمه هادی [۱۸] استفاده می‌کند که شامل ساختار بلوک پذیرنده (با آویز فولرین) متصل به پلیمرهای متشکل از نوع n (شکل ۹) است. دوم، فرآیند "مینی امولسیون" برای کنترل اندازه نانوسفرهای پلیمری متکی است. پراکندگی نانوسفرهای دو پلیمر منحصر به فرد یا ترکیبی از دو پلیمر می‌تواند به صورت لایه‌نشانی چرخشی^[۱۶] پوشش داده شود تا فیلم‌های نازک با ابعاد جداسازی فیزیکی که توسط اندازه ذرات کنترل می شوند، تشکیل شود [۱۹].

شکل ۹- میکروگرافی لومینسانس نشان دهنده ساختار لانه زنبوری فیلم‌های نازک کوپلیمرهای دی بلوک (نوارهای مقیاس: ۲۰ میکرومتر). در (الف)، فوتولومینسانس محلی (PL) یک ساختار بدون فولرین با (ب) یکی از آنها شامل فولرین آویز مقایسه شده است، که در آن مشاهدات قوی PL-quenching مشاهده می‌شود. [۱۹]

یک جایگزین برای کنترل بهتر جداسازی فاز نانومواد، این است که شامل نانوساختارهای معدنی باشد. اکسید فلزی متخلخل با منافذ نانومتری به طور منظم، که در سنتز آنها توسط قالب‌های آلی استفاده می‌شود، به عنوان داربست برای تشکیل اتصالات هترو^[۱۷] توسط نفوذ پلیمر مذاب شده به منافذ از طریق، غوطه وری^[۱۸] یا پلیمریزاسیون استفاده می‌شود. TiO₂ به مراتب شایع‌ترین ماده استفاده شده است زیرا از نظر فراوانی، غیر سمی و شفاف برای نور مرئی است. این روش ترکیبی سلول خورشیدی کنترل بالای اندازه منافذ و مقیاس جدایی فاز را کنترل می‌کند، در حالی که یک مطالعه مقایسه‌ای اخیر توسط نلسون و همکارانش دریافتند که ترکیب فیلم نانوکریستال / پلیمر اکسید فلزی بهترین عملکرد فتوولتائیک را به دست می‌دهد "مشکلات انتقال بین دو جزء را می‌توان راحت‌تر از آنهایی که از نفوذ پلیمر استفاده می‌کنند برطرف کنند" [۱۹]

به طور خلاصه، انتظار می‌رود که نانومواد نقش مهمی در تکنولوژی سلول‌های خورشیدی در دهه آتی داشته باشند، همانطور که در شکل ۱۰ [۲۰] نشان داده شده است.

شکل ۱۰- تحقیقات پایه در حال انجام با پیشرفت‌های تکنولوژی مورد نیاز برای دستیابی به برنامه‌های مورد نظر است. [۲۰]

۳- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

نانو مواد با توجه به خواص متفاوت خود موجب بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی از طریق بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی سلول‌ها می‌شوند. همچنین استفاده از نانومواد در سلول‌های خورشیدی می‌تواند در کوچکتر شدن سازه‌های سلول‌ها موثر واقع شوند که در مقیاس نیروگاهی و مباحث اقتصادی مربوط به آن بسیار حائز اهمیت است.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۴- منابع

[1]. Scheutz, Charlotte, Peter Kjeldsen, and Emmanuel Gentil. "Greenhouse gases, radiative forcing, global warming potential and waste management—an introduction." (2009): 716-723.

[2]. Pannkuk, Tim R., et al. "Landscape coefficients for single-and mixed-species landscapes." HortScience10 (2010): 1529-1533.

[3]. Brown, Marilyn A., et al. "Evaluating the risks of alternative energy policies: a case study of industrial energy efficiency." Energy Efficiency1 (2014): 1-22.

[4]. Richter, Burton, et al. "How America can look within to achieve energy security and reduce global warming." Reviews of Modern Physics4 (2008): S1.

[5]. Granqvist, Claes‐Göran. "Electrochromics for Energy‐Efficient Buildings: Nanofeatures, Thin Films, and Devices." Nanotechnology for the Energy Challenge (2013): 593-617

[6]. Lampert, Carl M., and Claes-Göran Granqvist. "Large-area chromogenics: materials and devices for transmittance control." Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. Vol. 10304. 1990.

[7]. Lee, E. S., et al. "Advancement of Electrochromic Windows, California Energy Commission, PIER." Publication number CEC-500-2006-052 (2006).

[8]. Clear, R. D., Vorapat Inkarojrit, and E. S. Lee. "Subject responses to electrochromic windows." Energy and Buildings7 (2006): 758-779.

[9]. Zinzi, Michele. "Office worker preferences of electrochromic windows: a pilot study." Building and Environment9 (2006): 1262-1273.

[10]. Lee, Eleanor S., Erin S. Claybaugh, and Marc LaFrance. "End user impacts of automated electrochromic windows in a pilot retrofit application." Energy and Buildings 47 (2012): 267-284.

[11]. Jonsson, Andreas, and Arne Roos. "Evaluation of control strategies for different smart window combinations using computer simulations." Solar Energy1 (2010): 1-9.

[12]. Granqvist, C. G. "50th Annual Technical Conference Proceedings." Society of Vacuum Coaters, Albuquerque, NM, USA (2007): 561-567.

[13]. Kennedy, C. E., and K. Granqvist, Claes‐Göran. "Electrochromics for Energy‐Efficient Buildings: Nanofeatures, Thin Films, and Devices." Nanotechnology for the Energy Challenge (2013): 593-617. "Optical durability of candidate solar reflectors." ASME 2004 International Solar Energy Conference. American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2008.

[14]. Pacheco-Torgal, Fernando, et al., eds. Nanotechnology in eco-efficient construction: Materials, Processes and Applications. Woodhead Publishing, 2018.

[15]. Granqvist, Claes‐Göran. "Electrochromic Materials and Devices for Energy Efficient Buildings." Nanotechnology for the Energy Challenge (2010): 435-458

[16]. Granqvist, Claes G., ed. Handbook of inorganic electrochromic materials. Elsevier, 1995.

[17]. Granqvist, Claes‐Göran. "Electrochromics for Energy‐Efficient Buildings: Nanofeatures, Thin Films, and Devices." Nanotechnology for the Energy Challenge (2013): 593-617

[18]. Niwa, Tatsuo, and Osamu Takai. "All-solid-state reflectance-type electrochromic devices using iridium tin oxide film as counter electrode." Thin Solid Films18 (2010): 5340-5344.

[19]. Goodenough, John B. "Metallic oxides." Progress in solid state chemistry5 (1971): 145-399.

[20]. Buildings, UNEP-Sustainable, and Climate Initiative. "Buildings and climate change: status, challenges and opportunities." Paris: United Nations Environment Programme(2007).

[1] Thin-film

[2] copper indium gallium selenide

[3] amorphous silicon

[4] micromorphous silicon

[5] Nanocrystal quantum dots

[6] Quantum confinement effect

[7] Excitons

[8] homo(hetero) junction

[9] Dye-sensitized l solar cells

[10] این سلول‌ها را به اختصار DSSC ، DSC و DYSC نیز نشان می‌دهند.

[11] Corma

[12] photonic crystals

[13] photonic sponge

[14] topology

[15] porphyrin

[16] Spin coating

[17] heterojunctions

[18] Dip coating