بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی با نانو

محسن معصومی: با توجه به محدودیت منابع سوخت فسیلی و آثار زیست‌محیطی حاصل از استفاده از آنها و انتشار بیش از اندازه گازهای گلخانه‌ای که سبب گرم شدن کره زمین شده، یافتن منبع انرژی جدید پایدار، قابل اطمینان و زیست‌سازگار چالشی است که دانشمندان و پژوهشگران امروز با آن روبه‌رو هستند.

امروز توجه به انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد، آب و امواج و زیست‌توده پیل سوختی و هیدروژن در مجامع صنعتی و علمی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. انرژی خورشیدی وسیع‌ترین منبع انرژی در جهان، به‌عنوان انرژی پاک، ارزان و عاری از هرگونه آلودگی جایگاه خاصی در تامین انرژی دارد. انرژی که از خورشید در هر ساعت به زمین می‌تابد، بیش از کل انرژی است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف می‌کنند؛ بنابراین استحصال این انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است.
 ایران در بین مدارهای ۲۵ تا ۴۰ درجه عرض شمالی قرار گرفته و در منطقه‌ای واقع شده که به‌لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین نقاط جهان در بالاترین رده‌ها قرار دارد. میزان تابش خورشیدی در ایران بین ۱۸۰۰ تا ۲۲۰۰ کیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده شده که البته بالاتر از میزان متوسط جهانی است. در ایران به‌طور متوسط سالانه بیش از ۲۸۰ روز آفتابی گزارش شده که توان خورشیدی به‌دست آمده در این روزها بسیار قابل توجه است.
 امروز با توجه به ضرورت استحصال انرژی خورشیدی، در کشورهای گوناگون که دارای ظرفیت مناسب تابش خورشید هستند، انواع سیستم‌های تولید توان خورشیدی نصب شده است؛ به‌طوری که برق آن به مدار شبکه سراسری منتقل می‌شود. درحال‌حاضر نیروگاه‌های خورشیدی نصب شده در سراسر جهان، حدود ۱۷۸ گیگاوات توان تولید می‌کنند که پیش‌بینی می‌شود با رفع موانع، ظرفیت توان خورشیدی در نیروگاه‌های نصب شده در سال ۲۰۲۰ میلادی(۱۳۹۹ خورشیدی) به بیش از ۵۰۰ گیگاوات برسد. از آنجا که ماهیت ذاتی انرژی‌های تجدیدپذیر، از جمله انرژی خورشیدی، به‌طور عمده به صورت محلی و پراکنده و در محل‌هایی که امکان استفاده از شبکه سراسری وجود ندارد، است، طبیعی خواهد بود که بهره‌گیری از این انرژی‌ها، در قالب تولید محلی و پراکنده به‌جای تولید انبوه و متمرکز بیشتر توجیه‌پذیر باشد.
به همین دلیل، براساس آمار، امروز بیشتر ظرفیت توان خورشیدی در جهان به صورت تولید محلی است؛ بنابراین به نظر می‌رسد در هر دو روش استحصال انرژی خورشیدی(متمرکز و پراکنده) جذابیت‌های فراوانی برای پرداختن به انرژی خورشیدی داشته باشد. به دو صورت می‌توان از انرژی خورشیدی استفاده کرد؛
 استفاده از تابش نورانی خورشید برای تولید مستقیم جریان الکتریسیته و استفاده از انرژی حرارتی خورشید در نیروگاه‌های دمای بالا برای تولید الکتریسیته و در نیروگاه‌های دمای پایین برای تولید آب گرم و تهویه ساختمان‌ها و همچنین برای کاربرد در آب شیرین‌کن‌های خورشیدی.
در این حوزه نانوفناوری در استحصال انرژی خورشیدی می‌تواند بسیار کارآمد باشد. با استفاده از این فناوری می‌توان بازده تجهیزات در دو حوزه تولید جریان الکتریسیته و حرارت را افزایش داد.

سازکار تولید برق خورشیدی
نور خورشید از طول موج‌های متفاوت در طیف‌های نوری(فرابنفش، مریی و فروسرخ) از بسته‌های انرژی به‌نام فوتون‌ها تشکیل شده است.
انرژی این فوتون‌ها براساس طول موج آنها مقادیر متفاوتی را به خود می‌گیرد.
 نور خورشید پس از تابش به سطح سلول خورشیدی، به‌وسیله سلول‌های خورشیدی جذب شده و به الکتریسیته تبدیل می‌شود.

انواع سلول‌های خورشیدی
فناوری نسل اول بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت ۳۰۰ تا ۴۰۰ میکرومتر است. در نسل دوم سلول‌های خورشیدی سلول‌ها مبتنی بر لایه‌های نازکی از نیمه‌رساناست که روی یک سطح مانند بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری نشانده شده باشد. با توجه به خاصیت انعطاف‌پذیری و قابلیت لوله شدن، این دسته از سلول‌ها مورد توجه بسیاری از شرکت‌ها قرار گرفته است، اما از بزرگ‌ترین معایب این دسته از سلول‌های خورشیدی سمی بودن آنها و بازده پایین‌تر نسبت به نسل اول است. در نسل سوم از سلول خورشیدی رنگدانه‌ای استفاده می‌شود. فناوری نانو با روش‌های گوناگونی بر عملکرد سلول‌های خورشیدی تاثیر مثبت گذاشته است. این تاثیرات کاربردی در قالب موارد زیر قابل انجام است:
۱) افزایش جذب و به دام انداختن نور خورشید؛
۲) ارائه ساختارهای جدید مبتنی بر فناوری نانو برای سلول‌های خورشیدی؛
۳) بهره‌گیری از نانوسیال‌ها در راستای بهبود عملکرد سامانه‌های خورشیدی؛
۴) کاربرد فتوکاتالیست‌های مبتنی بر فناوری نانو در سلول‌های خورشیدی؛
۵) کاربرد نانوپوشش‌ها.
موارد بالا تنها بخشی از کارکردهای فناوری نانو در عرصه انرژی خورشیدی بوده و نانوفناوری در سایر حوزه‌های انرژی خورشیدی، مانند سیستم‌های حرارتی خورشیدی نیز کاربردهای چشمگیری از خود نشان داده است.

افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی
از ابتدای پیدایش علم نانو، در طول دهه‌های گذشته، مواد نانو به صورت‌ها و با کاربردهای گوناگون ایجاد و تولید شده است.
 در این میان، نانوذرات نورتاب، با توجه به ویژگی بسیار جالب توجهی که در زمینه جذب و بازتابی نور دارند، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
 نانوذرات نورتاب از قبیل نقاط کوانتومی، نانوذرات بر پایه طلا یا نقره، نانوالماس فلورسنت در افزایش بازده سلول‌های خورشیدی کاربرد فراوانی دارند.
وجه مشترک تمامی این نانوذرات در خواص منحصربه‌فرد اپتیکی آنهاست؛ به بیان ساده، ویژگی اصلی این نانوذرات، خاصیت فلورسنت بودنشان است.
این دسته از نانوذرات، بسته به نوع و ابعادی که دارند، می‌توانند طول موج‌های متفاوتی را جذب کرده و به حالت تحریک در بیایند.

تحولی در صنعت انرژی خورشیدی
با ورود فناوری نانو به عرصه ساخت سلول‌های خورشیدی و ارائه ساختارهای نوین، دریچه‌های جدیدی از انواع کاربری‌های سلول خورشیدی به دنیای صنعت و فناوری گشوده می‌شود؛ ساخت سلول‌های خورشیدی کاملا شفاف از این دسته ساختارهای نوین است.
ساختار کلی سلول‌های خورشیدی شفاف در قالب ترکیبی از یک زیرلایه شفاف (از جنس شیشه یا پلاستیک) و نانولایه‌هایی از جنس‌هایی با خواص اپتیکی گوناگون و ضخامت‌های متفاوت است. سلول‌های شفاف، نور مریی را از خود عبور داده و در عوض ناحیه فرابنفش(UV) و نزدیک به فروسرخ (NIR) را جذب کرده و تولید توان می‌کنند.
 این ویژگی منحصربه‌فرد در سلول‌های خورشیدی شفاف، باعث ایجاد کاربردهای وسیع در ساختمان‌ها و خودروها می‌شود.
 میزان گذردهی نور مریی در انواع گوناگون سلول از ۵۰ تا ۸۰ درصد متفاوت است. پژوهشگران امیدوار هستند به کمک فناوری نانو، رسیدن به بازده ۱۲ درصد بدون از دست دادن ویژگی عبوردهی سلول دور از دسترس نباشد.

نانوسیال راهی مناسب برای انتقال حرارت و کاهش دما
نانوسیال ترکیبی جامد-مایع است که در آن نانو ذرات فلزی یا غیرفلزی در سیال پایه معلق هستند.
ذرات نانومتری معلق نظیر سیلسیوم اکساید، تیتانیوم اکساید، اکسید مس یا نانوذرات فلزی نیکل یا نانولوله‌های کربنی و گرافن باعث تغییر ویژگی‌های جابه‌جایی و انتقال حرارت سیال می‌شوند که قابلیت بسیاری برای افزایش انتقال حرارت از خود نشان می‌دهند.
نانوسیال‌ها اغلب در صنعت به‌دلیل داشتن ضریب انتقال حرارت بالا در موتورها یا مبدل‌های گرمایی برای افزایش بازدهی و نیز صرفه اقتصادی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
به‌تازگی برخی از موسسه‌ها و شرکت‌های پژوهشی از نانوسیال‌ها در گرم‌کن‌ها یا باتری‌های خورشیدی نیز مورد استفاده قرار می‌دهند از آنجایی که تابش نور در طول موج‌های بلند بر سطح سلول‌های خورشیدی سبب گرم شدن سلول‌های خورشید شده و در نتیجه موجب کاهش بازدهی آن می‌شود؛ بنابراین خنک‌کاری سلول‌های خورشیدی از اهمیت خاصی برخوردار می‌شود.
درحال‌حاضر با عبور جریانی از هوا این خنک‌کاری انجام می‌شود که در کاهش دما خیلی موثر نیست. استفاده از نانوسیال سبب می‌شود حرارت ایجاد شده بیشتری از سلول خورشیدی به بیرون منتقل شود و بازدهی و طول عمر سلول‌های خورشیدی افزایش یابد.
از سویی، از این حرارت نیز می‌توان برای پیش گرمایش مخزن‌های آب و گرم کردن فضای داخلی ساختمان استفاده کرد.
علاوه‌بر این، نانوسیال در سامانه‌های حرارتی خورشیدی نیز کاربرد دارد. این سیستم‌های حرارتی خورشیدی مانند کلکتورهای تخت و سهموی خورشیدی، آبگرم‌کن خورشیدی یا آب‌شیرین‌کن‌ها با جذب انرژی حرارتی خورشیدی کار می‌کنند و از طریق یک سیال دیگر، حرارت جذب‌شده را به مبدل‌های حرارتی منتقل می‌کنند.
این حرارت می‌تواند صرف گرمایش مخزن‌های آب یا خانه‌ها شود.
در این زمینه نانوسیال در انتقال حرارت سامانه‌ها به مبدل حرارتی بهتر و بیشتر از سیال‌های عادی عمل می‌کند.
با استفاده از نانوسیال می‌توان ابعاد سامانه‌های حرارتی خورشیدی را کوچک‌تر و کارآمدتر کرد بدین ترتیب هزینه‌های اولیه ساخت و نگهداری این سامانه‌ها را کاهش داد.

نانوپوشش‌های خود تمیزشونده و ضدانعکاس‌دهنده
یکی از عوامل کاهش‌دهنده بازدهی سلول‌های خورشیدی عوامل محیطی مانند انعکاس نور از سطح سلول خورشیدی، هوای ابری و موانع ایجاد شده عبور نور مانند لایه‌های رسوبی بر سطح سلول‌های خورشیدی است.
 پیشرفت فناوری و ساخت لایه‌های نانومتری که دارای خواص جالب خودتمیزشوندگی و ضدانعکاس هستند، تولید توان خورشیدی را در حل این مسئله کمک می‌کند.
نانوپوشش‌های متشکل از نانوذرات اکسید تیتانیوم که با جذب طول موج فرابنفش نور خورشید قادر است آلودگی‌های آلی مانند هیدروکربن‌ها را از بین ببرد قادر است با از بین بردن آلودگی‌های ناشی از سوخت‌های فسیلی به‌وسیله اتومبیل‌ها ایجاد شده، سطح سلول‌های خورشیدی را تمیز نگاه داشته و مانع کدر شدن آنها شود.
بدین ترتیب نور خورشید با شدت بیشتری به سطح سلول رسیده و فرآیند تولید الکترون و حفره با بازدهی بیشتر ادامه پیدا کند.
علاوه‌بر این، با استفاده از نانوفناوری می‌توان خواص آب دوستی و آبگریزی سطح شیشه را تغییر داد به گونه‌ای که آب تمایل به خیس کردن سطح نداشته باشد تا اثرات رسوبی املاح موجود در آب بر سطح شیشه باقی بماند. اگرچه درحال‌حاضر استفاده از نانوفناوری در ساخت و بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی، در مرحله پژوهشی به‌سر می‌برد، اما می‌توان گفت که مرحله‌گذار برای ورود به عرصه تجاری برای این حوزه بسیار نزدیک خواهد بود. با توجه به ظرفیت بسیار بالایی که این حوزه در بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی از خود نشان داده، می‌توان تجاری‌سازی این فناوری را یک نقطه عطف قابل توجه در صنعت سلول‌های خورشیدی قلمداد کرد.


چاپ