گروهی از پژوهشگران برای افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی نازک راهی را پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند باعث پیشرفتی قابل توجه در این منابع انرژی پاک شود.
سلول‌های خورشیدی، راهی طولانی را طی کرده‌اند و پیشرفت‌های قابل توجهی داشته‌اند اما سلول‌های ارزان‌قیمت و نازک، هنوز از نظر بازده با سلول‌های گران‌قیمت کریستالی فاصله‌ی زیادی دارند.
اکنون گروهی از پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند که به‌کارگیری دو لایه‌ی نازک از مواد مختلف می‌تواند راهی برای ایجاد سلول‌های سبک با قیمت مناسب باشد که حدود ۳۴ درصد بازدهی بیشتری دارند.
«آخلش لاختاکیا» (Akhlesh Lakhtakia) استاد علوم مهندسی و مکانیک دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، درباره‌ی این طرح گفت: «ده سال پیش اطلاعات کمی درباره‌ی سلول‌های خورشیدی داشتم اما اکنون برای من روشن شهد که این فناوری بسیار اهمیت دارد.»
او با بررسی میدانی، دریافت که پژوهشگران دو رویکرد به فناوری سلول‌های خورشیدی دارند. جنبه‌ی نوری که چگونگی جمع‌آوری نور خورشید توسط سلول را بررسی می‌کند و جنبه‌ی الکتریکی که به میزان تبدیل نور به الکتریسیته می‌پردازد.
پژوهشگران در زمینه‌ی نوری، برای بهینه‌سازی جذب نور توسط سلول تلاش می‌کنند، در حالی که پژوهشگران حوزه‌ی الکتریکی، می‌کوشند که تبدیل به الکتریسیته را بهینه کنند.
لاختاکیا درباره‌ی مدل ارائه شده توسط او و همکارانش، که در نشریه‌ی Applied Physics Letters به چاپ رسیده، گفت: «من تصمیم گرفتم مدلی برای سلول‌های خورشیدی ایجاد کنم که هر دو جنبه‌ی الکتریکی و نوری را به یک اندازه بهبود دهد، ما باید بازدهی واقعی را افزایش دهیم زیرا اگر بازده کمتر از ۳۰ درصد باشد، تغییری ایجاد نمی‌کند.»
اگرچه لاختاکیا نظریه‌ی این مدل را ارائه داده و در آزمایشگاه به ساخت سلول‌های نازک خورشیدی مشغول نیست، اما این مدل‌های ریاضی به دیگران کمک می‌کند تا امکان به‌کارگیری پیکربندی‌ها و مواد گوناگون را آزمایش کنند. وی در این‌باره گفت: «مسأله این بود که ساختار ریاضی بهینه‌سازی الکتریکی و نوری بسیار متفاوت است.»
به گفته‌ی او، به نظر می‌رسد سلول‌های خورشیدی دستگاه‌های ساده‌ای هستند. یک لایه‌ی بالایی شفاف که اجازه می‌دهد نور خورشید بر روی یک لایه‌ی مبدل انرژی بتابد. سپس ماده‌ای که برای تبدیل انرژی انتخاب شده، نور را جذب می‌کند و جریاناتی از الکترون‌های دارای بار منفی و حفره‌های دارای بار مثبت را که در جهت مخالف حرکت می‌کنند، تولید می‌کند.
این ذرات با بار متفاوت، در نهایت به یک لایه‌ی تماسی بالایی و یک لایه تماسی پایینی منتقل می‌شوند که برق را برای استفاده از سلول خارج می‌کند. میزان انرژی سلول، به میزان نور خورشید جمع‌آوری شده و توانایی لایه‌ی مبدل نور به الکتریسیته بستگی دارد. زیرا مواد گوناگون، به شکل متفاوتی به طول موج‌های گوناگون نور، واکنش نشان می‌دهند و آن را تبدیل می‌کنند.
لاختاکیا دریافت که برای افزایش بازده صفحه‌ی خورشیدی، باید نور بیشتری جذب شود و به این منظور،باید لایه‌ی جاذب را با روشی خاص ناهمگن کرد.
این روش خاص استفاده از دو ماده‌ی جاذب مختلف در دو فیلم (لایه) نازک بود. محققان برای این کار از مواد موجود در بازار، شامل «مس ایندیم گالیم دی‌سلنید» (CIGS) و «مس روی قلع گوگرد سلنید» (CZTSSe) برای لایه‌ها استفاده کردند. بازدهی CIGS به تنهایی حدود ۲۰ درصد و بازدهی CZTSSe حدود ۱۱ درصد است.
این دو ماده در یک سلول خورشیدی کار می‌کنند، زیرا ساختار هر دو یکسان است. با توجه به داشتن ساختار شبکه‌ای یکسان، می‌توان هر یک از آن‌ها را بر روی دیگری شکل داد تا فرکانس‌های طیفی گوناگون را جذب کرده و طبق گفته‌ی لاختاکیا، کارایی سلول را افزایش دهند.
او خاطرنشان کرد: «این موضوع شگفت‌انگیز بود. این مواد با هم، یک سلول خورشیدی با بازدهی ۳۴ درصد تولید کردند. این کار یک معماری جدید سلول خورشیدی به صورت لایه‌به‌لایه ایجاد می‌کند. به این ترتیب، دیگران در زمینه‌ی ساخت سلول‌های خورشیدی فعالیت دارند، می‌توانند فرمول‌بندی‌های دیگری هم برای لایه‌ها بیابند که حتی شاید بهتر عمل کند.
به گفته‌ی پژوهشگران، گام بعدی، ایجاد این مواد به صورت آزمایشگاهی و بررسی گزینه‌های مختلف برای دستیابی به یک طرح نهایی با بالاتری بازدهی است. سلول‌های خورشیدی نازک با بازدهی بالا، در صنایع گوناگون ازجمله ساخت هواگردهای سبک با سوخت پاک، کاربرد گسترده‌ای دارد.
عکس کاور: یک نوع سلول خورشیدی نازک
Credit: Shutterstock
منبع: SciTechDaily
