پلاستیک ­ها هم به عنوان نیمه ­هادی­ های آلی تخصصی و هم به عنوان زیرلایه برای تولید ارزان تر و منعطف­ تر تجهیزات، گزینه ­ای مناسب برای جای‌گزینی سلول­ های خورشیدی بر پایه سیلیکون هستند.

آخرین پیشرفت ­ها در حوزه­ فتوولتائیک ­ها

امروزه رشد جهانی مصرف انرژی و انتشار بیش از پیش گازهای گل‌خانه ­ای، منجر به افزایش آلودگی ­های زیست محیطی شده و ادامه­ این روند صدمات جبران‌ناپذیری را برای محیط زیست به همراه خواهد داشت. در قرن اخیر به منظور کاهش وابستگی جهانی به منابع انرژی تجدیدناپذیر و سوخت­ های آلوده‌کننده، تلاش های علمی زیادی برای تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر مانند نور خورشید صورت گرفته که از جمله مهم­ ترین آن­ ها می­ توان به تولید انرژی الکتریکی با استفاده از سلول­ های خورشیدی اشاره کرد.

بسیاری از نیمه‌رساناها می‌توانند الکتریسیته را از نور خورشید تولید کنند. سلول‌های فوتوولتایی که اغلب سلول‌های خورشیدی نامیده می‌شوند، از جمله قطعات حالت جامد هستند که براساس تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته، کار می‌کنند. از مزایای این روش تبدیل انرژی این است که مواد غیر دوست ­دار محیط زیست تولید نمی‌کند و منبع نامحدودی از انرژی در اختیارمان قرار می‌دهد. متداول‌ترین و بهترین سلول‌های خورشیدی توسعه یافته، از سیلیکون ساخته می‌شوند که دلیل آن کارایی بالای سیلیکون در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته است و همین امر سبب شده که این ماده هم­چنان از اصلی ­ترین گزینه ­ها در ساخت سلول­ های خورشیدی به شمار آید. با این حال سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سخت و غیر قابل انعطافند و هزینه­ تولید و هم­چنین اسقاط بالایی دارند.

بنا بر همین دلایل، محققان در حال بررسی پتانسیل سلول­ های خورشیدی “آلی” (که با نام سلول­ های فتوولتائیک آلی نیز شناخته می­ شوند) هستند. مواد آلی معمولاً به عنوان نیمه رسانا (به جای سیلیکون) برای تبدیل نور به برق مورد استفاده قرار می ­گیرند و عموماً از مواد پلیمری بسیار تخصصی برای این منظور استفاده می­ شود.

در ساخت این نوع جدید از سلول­ های خورشیدی، به طور معمول از پلیمرها برای ساخت “جوهر” استفاده شده که بر روی یک زیرلایه­ پلاستیکی چاپ می ­شوند. این سلول­ ها عموماً انعطاف‌پذیرند و ساخت آن­ ها بسیار ارزان‌تر از نمونه­ سیلیکونی آن­ هاست. این مزیت­ ها می­ توانند منجر به گسترش استفاده از این نوع جدید از فتوولتائیک­ ها شود.

استفاده از لیزر

محققان دانشگاه پلی ­تکنیک میلان در ایتالیا به تازگی از لیزرهای با پالس کوتاه برای مطالعه­ خواص سلول های خورشیدی آلی استفاده کردند. این محققان معتقدند از جمله معایب این سلول­ ها کم‌تر بودن بازدهی تبدیل نور به الکتریسیته در آن ­ها نسبت به سلول­ های سیلیکونی است و از آن­جا که مواد آلی دارای فیزیک پیچیده ­تری نسبت به مواد معدنی بلوری مانند سیلیکون هستند حل این مسئله با دشواری بیش‌تری همراه شده است. با این وجود، محققین ایتالیایی با استفاده از لیزرهای پالس کوتاه درباره­ رفتار این مواد به پژوهش پرداخته و در نهایت موفق به یافتن راهی برای بهبود بازدهی سلول­ ها به وسیله­ کاهش اتلاف در سطح مشترک بین ماده­ دهنده و گیرنده شدند. آن‌ها از آمیزه­ دو ماده­ آلی در این مطالعه استفاده کردند و نتایج بررسی­ ها حاکی از آن بود که یک آمیزه بهینه از این مواد وجود دارد که اتلاف در آن حداقل است. به گفته­ این گروه از محققان، سلول­ های فتوولتائیک آینده که با استفاده از تکنولوژی مواد آلی ساخته می­ شوند منبع ارزان­ تر انرژی و با تأثیرات زیست محیطی کم‌تر خواهند بود. دیگر مزیت مهم سلول­ های جدید انعطاف ­پذیری مکانیکی بالای آن ­هاست که امکان استفاده از آن ­ها در کاربردهای روزمره مانند پنجره ­ها، خودروها، و حتی البسه را فراهم می­ آورد. نتایج این پژوهش به تازگی در مجله­ Nature نیز به چاپ رسیده است.

افزایش بازدهی 

یک تیم تحقیقاتی، از آکادمی علوم چین، اخیراً موفق به تولید یک  سلول خورشیدی آلی با کارایی ۱۷% و فرآیندپذیری بسیار عالی برای پوشش سطوح وسیع شده­ است. اگرچه فتوولتائیک­ های آلی دارای مزایای مختلفی هستند، اما معمولاً در آزمایشگاه و به وسیله­ فرآیند پوشانش چرخشی در اندازه ­های زیر ۰/۱ سانتی­ متر مربع تولید می­ شوند و این محدودیت اندازه برای پیش‌رفت آن­ ها در آینده ایجاد محدودیت می کند.

در فرآیند پوشانش چرخشی (spin coating) فیلم­ های خیس در اثر سرعت بالای چرخش به سرعت خشک می­ شوند. از طرفی، با افزایش مساحت، از سرعت خشک شدن فیلم کاسته می­ شود که این امر می­ تواند بر عمل‌کرد نهایی آن­ ها اثرگذار باشد. به گفته­ این محققان چینی، ساخت سلول­ های OPV (فتوولتائیک آلی) با بازدهی بالا، با روش­ های موجود برای پوشش ­دهی مساحت­ های زیاد هنوز هم چالشی بزرگ به حساب می ­آید. با این وجود آن‌ها موفق شدند با اصلاح ساختار شیمیایی یکی از پلیمرهای آلی که باعث افزایش راندمان به ۱۷% شده است، بر این مشکل غلبه کنند. نتایج این پژوهش که در مجله­ National Science Review منتشر شده است حاکی از آن است که تغییر ساختارهای شیمیایی مواد فعال نوری در تولید مساحت ­های بزرگ­ تر از اهمیت بالایی برخوردار است.

عمل‌کرد در محیط ­های بسته

محققان دو دانشگاه در اسکاتلند، Strathclyde و St Andrews، طرحی از یک صفحه­ خورشیدی پلاستیکی ارائه دادند که نور محیط را برداشت کرده و هم ­زمان می­ تواند سیگنال­ های داده­ های چندگانه­ پر سرعت را نیز دریافت کند. به گفته­ این محققان، این طرح می­ تواند در پیشرفت­ های بعدی دستگاه ­های خود شارژ شونده متصل به اینترنت بسیار مفید باشد.

این گروه تحقیقاتی با استفاده از یک ترکیب بهینه از مواد نیمه­ رسانای آلی OPVهای پایداری را تولید کردند که قادر به تبدیل نور محیط­ های مسقف به برق هستند. در یک آزمون ارتباط نوری بی­ سیم، پنلی از ۴ سلول OPV مورد استفاده قرار گرفت. به گفته­ پروفسور  Graham Turnbull از بخش Organic Semiconductor Centre دانشگاه  St Andrews، این فتوولتائیک ­های آلی بستری فوق­ العاده برای برداشت برق از محیط­ های بسته برای تلفن­ های همراه فراهم می­ آورند و مزیت آن‌ها نسبت به سیلیکون این است که می­ توان آن‌ها را برای دست­ یابی به حداکثر بازده کوانتومی برای طول موج­ های روشنایی LED طراحی کرد که علاوه بر قابلیت دریافت داده، فرصت مهمی را برای دستگاه ­های خود شارژشونده­ اینترنت اشیا فراهم می­ آورند.

اینترنت چیزها (Internet of Things (IoT)) یا چیزنت که گاهی اصطلاح اینترنت اشیا نیز برای آن به کار می‌رود، به ‌طور کلی به اشیا و تجهیزات محیط پیرامون‌مان که به شبکه اینترنت متصل شده و توسط اپلیکیشن‌های موجود در تلفن‌های هوشمند و تبلت قابل کنترل و مدیریت هستند، اشاره دارد. اینترنت چیزها به زبان ساده، ارتباط سنسورها و دستگاه‌ها با شبکه‌ای است که از طریق آن می‌توانند با یک‌دیگر و با کاربرانشان تعامل کنند. این مفهوم می‌تواند به سادگی ارتباط یک گوشی هوشمند با تلویزیون، یا به پیچیدگی نظارت بر زیرساخت‌های شهری و ترافیک باشد. از ماشین لباسشویی و یخچال گرفته تا پوشاک؛ این شبکه بسیاری از دستگاه‌های اطراف ما را دربرمی‌گیرد.

معمولاً نمی­ توان قابلیت انتقال داده و توانایی برداشت انرژی را در یک دستگاه گنجاند. پروفسور Professor Harald Haas از Strathclyde LiFi Research and Development Centre هم­چنین افزود: “تا جایی که اطلاع داریم تا کنون چنین چیزی نشان داده نشده است. می توان این­ طور تصور کرد که هنگام برداشت انرژی کافی برای تأمین انرژی بسیاری از حس‌گرهای توزیع شده هوشمند، پردازش داده ­ها و گره ­های ارتباطی (گره شبکه فیزیکی یک وسیله الکترونیکی است که به یک شبکه متصل می‌شود، و قادر به ایجاد، دریافت یا انتقال اطلاعات از طریق یک کانال ارتباطی است. در ارتباطات داده‌ای، گره شبکه فیزیکی ممکن است تجهیزات ارتباطی داده (DCE) مانند مودم، هاب، پل یا سوئیچ یا تجهیزات ترمینال داده (DTE) مانند گوشی تلفن دیجیتال، چاپ‌گر یا کامپیوتر میزبان باشد.)، کل دیوار­ها را به یک ردیاب داده گیگابایت در ثانیه تبدیل کرد.”

شرایط با نور کم

یک تیم مشترک تحقیقاتی از فرانسه و ژاپن نیز در حال بررسی چگونگی برداشت از نور داخلی هستند. Toyobo از ژاپن و مؤسسه تحقیقات فرانسه (CEA) ماژول‌های OPV اولیه را روی دو زیرلایه­ مختلف (فیلم نازک PET و شیشه) تولید کرده­ اند. در این محصولات آزمایشی از یک ماده تولیدکننده­ نیرو برای OPV استفاده می ­شود که Toyobo در حال تولید آن است. این ماده می ­تواند به راحتی در حلال ­ها حل شده و در نتیجه به طور مساوی روی یک لایه پوشانده شود.

به گفته­ این محققان، OPV نشانده شده بر روی شیشه، موفق به کسب بالاترین سطح بازدهی در محیط کم­نور در دنیا شده است. OPV نشانده شده بر روی PET، که تولید آن دشوارتر از نمونه­ پوشش یافته بر روی شیشه است، در همان روشنایی در حدود ۱۳۰ میکرووات خروجی داشت. Toyobo قصد دارد تا اوایل سال ۲۰۲۳ این ماده را برای استفاده به عنوان منبع تغذیه­ بی‌سیم در دستگاه­ هایی مانند حس‌گرهای رطوبت، دما، و سنسورهای حرکتی تجاری کند.

ارتقای آمیزه­ ها

محققان دانشگاه هیروشیما در ژاپن با ترکیب چندین نیمه رسانای پلیمری و مولکولی موفق به ساخت یک سلول خورشیدی با بازده انرژی بالاتر و تولید برق بیش‌تر شده­ اند. این تیم تحقیقاتی با افزودن مقدار کمی از آمیزه­ای که نور را در طول موج ­های طولانی جذب می­ کند، موفق به تولید OPV با کارآمدی ۱/۵ برابری نسبت به نمونه­ بدون آمیزه شده ­اند. این آمیزه به دلیل تداخل نوری در دستگاه، شدت جذب را افزایش می دهد.

Itaru Osaka نویسنده­ مسئول مقاله­ مربوط به این پژوهش، که به تازگی در مجله­ Macromolecule به چاپ رسیده است، در این­ باره می­ گوید: “مقدار بسیار کمی از یک ماده­ حساس‌کننده به سلول OPV (شامل یک پلیمر نیمه ­رسانا است که قبلاً موفق به ساخت آن شدیم) افزوده شد. این امر منجر به افزایش قابل توجه در بازدهی تبدیل جریان نوری و نیرو می­ شود. راه­ حل کلیدی، استفاده از یک پلیمر بسیار ویژه است که امکان دست‌یابی به یک لایه نیمه ­رسانای بسیار ضخیم برای سلول ­های OPV را فراهم می­ آورد که می­ تواند اثر تداخل نوری را افزایش دهد. “وی در این رابطه افزود که این تیم تحقیقاتی سعی دارد در آینده از طریق تولید پلیمرهای نیمه ­رسانا و مواد حساس‌کننده­­ بهتر که قادر به جذب بیش‌تر فوتون­ ها در ناحیه­ طول موج­ های بلندتر باشند، بازدهی را به میزان بیش‌تری افزایش دهد. به عقیده­ آن­ ها این امر به دست­ یابی به بالاترین بازده سلول­ های OPV در جهان منجر خواهد شد.

مشکلات پلی­ آمید

پلاستیک ­ها علاوه بر آن­ که جای گزین ه­ای غیر سیلیکونی برای انرژی خورشیدی به حساب می­ آیند، نقش کلیدی در فوتوولتائیک­ های معمولی نیز ایفا می­ کنند و در بخش ­هایی مانند صفحات پشتی که از اجزای الکترونیکی ظریف سلول محافظت می ­کنند، به کار می ­روند. در این بخش، آن­ ها باید از سلول در مقابل عواملی چون اشعه ماوراء بنفش، باد، باران شدید، و… که عمر مفید سلول خورشیدی را کوتاه می­ کنند، محافظت کنند. محققان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) دریافتند که بسیاری از صفحات خورشیدی دچار نقص زودهنگام می­ شوند که علت آن ترک خوردن صفحه پشتی است. ترک خوردگی زودرس عمدتاً ویژگی پلاستیک ­هایی مانند پلی­ آمید است، اما دلیل تخریب سریع آن ها هنوز مشخص نشده است. در حال حاضر، تیم مشترک تحقیقاتی NIST و Arkema دریافته‌اند که چگونه برهم‌کنش بین این پلاستیک ­ها، عوامل محیطی، و معماری صفحه خورشیدی ممکن است روند تخریب را تسریع کند. این یافته ها، که در Progress in Photovoltaics: Research and Applications نیز منتشر شده است، می­ تواند به محققان برای اجرای آزمون های بهتر مقاومت و ساخت صفحه­ های خورشیدی با دوام بیش‌تر کمک کند. Xiaohong Gu، مهندس مواد در NIST و از نویسندگان این مقاله، این­ طور بیان کرده است: “در بازه زمانی ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۲، بسیاری از ماژول ­ها دارای صفحه پشتی بر پایه­ پلی­ آمید بودند که با وجود برآورده کردن شرایط استاندارد، شکست در اثر ترک خوردگی چشم­ گیری را در کم‌تر از چهار سال ثبت کرده ­اند.”

Gu و تیمش نمونه ­هایی از این صفحات پشتی را از صفحه­ های خورشیدی در سراسر جهان، از جمله بخش هایی در ایالات متحده آمریکا، چین، تایلند، و ایتالیا، جمع­ آوری کردند. اکثر این صفحات که عمر مفید سه تا شش سال داشتند، نشانه­ های واضحی از ترک خوردگی زودرس را نشان داده ­اند. در ادامه، آزمایش ­های شیمیایی و مکانیکی نیز برای بررسی الگوها و شدت تخریب بر روی این نمونه­ ها صورت گرفت. نتایج این آزمایشات حاکی از آن بود که مناطقی که بیش‌ترین ترک در آن­ ها ایجاد شده بود، به سخت­ ترین مناطق نیز تبدیل شدند. به گفته­ Gu، نکته­ عجیب این بود که قسمت­ های داخلی ورق ها شکنندگی بیش‌تری داشتند. آن ­ها حدس می­ زنند که تخریب ناشی از نور خورشید در قسمت بالای مخزن یعنی فیلمی که سلول های خورشیدی را احاطه کرده است، مواد شیمیایی مخربی تولید می‌کند که به سمت صفحه پشت مهاجرت، و روند تخریب این صفحات را تسریع می­ کند. این سازوکار می ­تواند دلیل ایجاد شکاف بین سلول­ های خورشیدی را توضیح دهد چراکه مواد شیمیایی از طریق این مناطق می‌توانند به صفحه­ پشت راه یابند.

این محققان اسیداستیک را به عنوان عامل اصلی این اتفاق معرفی کردند: همان­ طور که می­ دانیم، این ماده برای پلی‌آمید مضر است و در صورت تخریب اتیلن‌وینیل‌استات (EVA) تولید می ­شود. به منظور آزمایش این فرضیه، محققان تخریب نوارهای پلی ­آمید را در اسیداستیک، هوا و آب با هم مقایسه کردند. در نمونه ­هایی که در معرض اسید استیک قرار گرفتند، ترک­ هایی به وجود آمد که مشابه ترک در نمونه­ هایی بود که در صفحه پشتی دیده می­ شوند و این ترک­ ها بسیار بدتر از ترک در نمونه­ هایی بود که در هوا یا آب قرار گرفتند. به گفته­ این محققان، نتایج این پژوهش نشان داد که برهم‌کنش بین مواد یکی از ملاحظات مهمی است که در هنگام طراحی صفحات خورشیدی باید مورد توجه قرار گیرد.

منبع خبر
www.polimi.it/en/
www.scichina.com
www.strath.ac.uk
www.st-andrews.ac.uk
www.toyobo-global.com
www.cea.fr
www.hiroshima-u.ac.jp
www.nist.gov

همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.

info@fara-ps.com