تکنولوژی‌های نوین در بهبود بازدهی سلول‌های خورشیدی

فناوری سلول‌های خورشیدی با مزایای بی‌نظیر در تولید انرژی پاک در مسیر رشد و توسعه‌ چشمگیری قرار دارد، اما بهره‌وری آن‌ها در شرایط مختلف جغرافیایی و اقلیمی با چالش‌هایی مواجه است. یکی از مشکلات عمده، تفاوت در میزان دسترسی به نور خورشید است؛ به‌ویژه در مناطق ابری یا خشک که گردوغبار و دمای شدید می‌تواند کارایی پنل‌ها را کاهش دهد و نیاز به نگهداری مکرر ایجاد کند. علاوه بر تولید برق، سلول‌های خورشیدی در صنایعی همچون کشاورزی، حمل‌ونقل و ساختمان‌سازی نیز کاربردهای فراوانی دارند. در کشاورزی، از این فناوری برای سیستم‌های آبیاری و گلخانه‌ها استفاده می‌شود و در حمل‌ونقل، ایستگاه‌های شارژ خورشیدی و خودروهای الکتریکی را پشتیبانی می‌کند.

در همین راستا به سراغ رضا شیرازی، عضو هیئت علمی شیمی معدنی دانشگاه اصفهان رفته‌ایم تا در باره سلول های خورشیدی و آینده این سلول‌ها بیشتر بدانیم.

چگونه می‌توان بازده سلول‌های خورشیدی را افزایش داد؟

افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی یکی از دغدغه‌های اصلی در عرصه انرژی‌های تجدیدپذیر است، اما توجه داشته باشید که سلول‌های خورشیدی به سه نسل مختلف دسته‌بندی می‌شوند و هر یک از این نسل‌ها رویکردها و ویژگی‌های خاص خود را دارند. به‌طور کلی افزایش بازده سلول‌های خورشیدی به چندین عامل وابسته است که یکی از آن‌ها استفاده از مواد با کیفیت و خلوص بالا است. در سلول‌های خورشیدی نسل اول که سیلیکونی هستند، استفاده از سیلیکون تک‌کریستالی می‌تواند بازدهی را تا بیش از ۲۰ درصد افزایش دهد. این مواد با خلوص بالا امکان بهبود بازدهی را فراهم می‌کنند.

چه نوآوری‌های جدیدی در زمینه کاهش هزینه تولید سلول‌های خورشیدی به کار رفته شده است؟

نوآوری‌های اخیر در زمینه کاهش هزینه‌های تولید سلول‌های خورشیدی با تمرکز بر مواد جایگزین و بهینه‌سازی فرآیندهای تولید به توسعه سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک کمک شایانی کرده‌اند. این سلول‌ها نسبت به سلول‌های سیلیکونی مواد کمتری نیاز دارند و همین امر هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. افزون بر این، محققان به‌سوی بهره‌گیری از مواد جدیدی نظیر پروسکایت روی آورده‌اند که نه تنها تولید را ارزان‌تر می‌کند، بلکه به لحاظ بالقوه بازدهی بالاتری نیز به ارمغان می‌آورد، همچنین فناوری‌های پیشرفته بازیافت امکان بازیابی مواد با ارزش از پنل‌های قدیمی را فراهم کرده و هزینه‌های مواد خام را کاهش داده‌اند. بهبود زنجیره تأمین جهانی و افزایش رقابت در بازار نیز منجر به صرفه‌جویی مقیاسی شده که انرژی خورشیدی را در دسترس‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کرده است. امید می‌رود که سلول‌های خورشیدی پروسکایتی با کاهش هزینه‌ها و بازدهی قابل‌توجه خود، به صورت تندوم یا ترکیبی با سیلیکون‌ها، بازدهی حتی بالاتری از سلول‌های سیلیکونی داشته باشند.

تفاوت عملکرد سلول‌های خورشیدی نسل اول، دوم و سوم در چیست؟

تفاوت عملکرد نسل‌های مختلف سلول‌های خورشیدی بدین‌گونه است که سلول‌های خورشیدی نسل اول بر پایه سیلیکون‌های کریستالی ساخته شده‌اند و از بازدهی بالایی برخوردارند بطوریکه بین ۲۰ تا ۲۷ درصد بازدهی دارند. این سلول‌ها به دلیل بازدهی مناسب در سطح تجاری عرضه شده‌اند؛ هرچند هزینه تولید بالا یکی از چالش‌های عمده در مقیاس انبوه به شمار می‌رود. در نسل دوم، سلول‌های خورشیدی با فناوری‌های لایه‌نازک، همچون کادمیوم تلورید و سیلیکون آمورف معرفی شده‌اند که هزینه تولید کمتری دارند، اما به لحاظ بازدهی ضعیف‌تر از نسل اول محسوب می‌شوند. نسل سوم شامل فناوری‌های نوآورانه‌ای همچون سلول‌های پروسکایتی و ارگانیک است که بازدهی بالقوه بالاتری دارند. این نسل، با هزینه‌های تولید کمتر و فناوری ساخت ساده‌تر، می‌تواند گزینه‌ای مطلوب‌تر در جهت کاهش هزینه‌ها باشد.

آیا سلول‌های خورشیدی قابلیت بازیافت دارند؟ فرآیند بازیافت آن‌ها چگونه است؟

سلول‌های خورشیدی قابلیت بازیافت دارند. روند بازیافت معمولاً با جمع‌آوری پنل‌های خورشیدی که عمر آن‌ها به پایان رسیده است. پس از جمع‌آوری، مواد ارزشمند نظیر شیشه، قاب‌های آلومینیومی، ویفرهای سیلیکونی و سایر مواد ارزشمند جدا می‌شوند. از فرآیندهای مکانیکی برای شکستن و جداسازی پنل‌ها بهره می‌گیرند بطوریکه از انتشار مواد خطرناک همچون کادمیوم و سرب به محیط جلوگیری شود. تکنیک‌های پیشرفته بازیافت این امکان را فراهم می‌کنند که تا ۹۵ درصد مواد از پنل‌های قدیمی برای استفاده مجدد بازیابی شود. هم‌اکنون تحقیقات برای توسعه روش‌های بازیافت کارآمدتر در حال انجام است که هدف آن کاهش زباله و افزایش پایداری در چرخه حیات فناوری سلول‌های خورشیدی است.

چه چالش‌هایی در استفاده از سلول‌های خورشیدی در مناطق مختلف جغرفیایی وجود دارد؟

استفاده از سلول‌های خورشیدی در مناطق مختلف جغرافیایی با چالش‌های متعددی همراه است که می‌تواند بر عملکرد و پذیرش آن‌ها اثرگذار باشد. یکی از چالش‌های اصلی، تنوع در میزان دسترسی به نور خورشید است. مناطقی که اغلب آب و هوای ابری دارند یا ساعات نور روز در آن‌ها کوتاه‌تر است در مقایسه با مناطق آفتابی‌تر با کاهش تولید انرژی مواجه می‌شوند، همچنین شرایط آب و هوایی محلی نقش مهمی در کارایی سلول‌های خورشیدی ایفا می‌کند؛ به عنوان مثال تجمع گرد و غبار در مناطق خشک می‌تواند میزان عبور نور را کاهش دهد و از این‌رو نیازمند تمیز کردن‌های مکرر برای حفظ کارایی سلول‌ها است. دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین نیز می‌تواند بر عملکرد و طول عمر پنل‌ها تأثیر منفی بگذارد. افزون بر این، محدودیت‌های زیرساختی در مناطق دورافتاده که به شبکه‌های الکتریکی یا پشتیبانی تعمیر و نگهداری دسترسی ندارند، موانعی برای استقرار مؤثر و پایدار سلول‌های خورشیدی محسوب می‌شود.

در چه صنایعی به غیر از تولید برق می‌اتون از سلول‌های خورشیدی استفاده کرد؟

سلول‌های خورشیدی علاوه بر تولید برق، در صنایع دیگری نیز کاربردهای چشمگیری دارند. در کشاورزی این سلول‌ها برای تأمین انرژی سیستم‌های آبیاری و عملیات گلخانه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و با کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، به پایداری زیست‌محیطی کمک می‌کنند. در حوزه حمل‌ونقل، پنل‌های خورشیدی در وسایل نقلیه الکتریکی و ایستگاه‌های شارژ، امکان استفاده از انرژی پاک‌تر را فراهم می‌آورند. استفاده از سلول‌های خورشیدی یکپارچه در ساختمان‌ها نیز از جنبه‌های زیبایی‌شناختی و بهره‌وری انرژی، کاربردهای بسیاری دارد. در عین حال که به تولید انرژی برای ساختمان‌های مسکونی و تجاری می‌پردازد، این پنل‌ها هیچ‌گونه تأثیر منفی بر زیبایی نمای خارجی ساختمان‌ها ندارند. کاربردهای دیگری همچون تأمین انرژی برای تاسیسات ارتباطی دور از شبکه یا نصب بر روی دکل‌های سلولی در مناطق روستایی نیز بخشی از این کاربری‌های فراگیر است.

برای افزایش طول عمر و کاهش استهلاک سلول های خورشیدی، چه تدابیری گرفته شده است؟

سازندگان پنل‌ها برای این امر از استراتژی‌های گوناگونی بهره می‌گیرند. یکی از این راهکارها، استفاده از مواد مقاوم در برابر تخریب محیطی است که به محافظت از سلول‌ها در برابر آسیب‌های ناشی از شرایط محیطی کمک می‌کند. فرآیند «انکپسوله کردن» نیز سلول‌ها را در برابر رطوبت و اشعه فرابنفش محافظت می‌کند، به گونه‌ای که از نفوذ این عوامل مخرب جلوگیری به عمل می‌آید، همچنین پوشش‌های محافظ پیشرفته از آسیب‌های ناشی از گرد و غبار یا شرایط آب و هوایی شدید همچون تگرگ محافظت می‌کند. بازرسی‌های منظم و پروتکل‌های تمیزکننده نیز برای اطمینان از عملکرد بهینه سلول‌ها در طول زمان توصیه می‌شود. تحقیقات نوآورانه نیز بهبود مستمر کارایی این فناوری را در شرایط مختلف محیطی هدف قرار داده است.

برای بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی چه تکنولوژی‌های نوینی در حال استفاده است؟

از جمله فناوری‌های نوینی که برای بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی در حال بررسی هستند، می‌توان به سلول‌های خورشیدی پروسکایتی اشاره کرد. این سلول‌ها به دلیل خاصیت جذب نور بالا، بازدهی زیادی را با هزینه‌های کمتر نسبت به سلول‌های سیلیکونی سنتی به ارمغان می‌آورند. ترکیب سلول‌های پروسکایتی و سیلیکونی، امکان جذب موثرتر نور خورشید و دستیابی به بازدهی بیش از ۳۰ درصد را فراهم می‌کند و این نوآوری می‌تواند بازدهی این سلول‌ها را از محدودیت‌های فعلی فراتر برده و مقرون‌به‌صرفه نیز باشد. تکنیک‌های پیشرفته مدیریت نور و سطوح ضد انعکاس نیز در افزایش کارایی و به دام انداختن بیشتر نور در ساختار سلول‌های خورشیدی مؤثرند. همچنین، هوش مصنوعی به کمک داده‌های زیست‌محیطی در طراحی این سیستم‌ها به کار گرفته می‌شود و به بهینه‌سازی جذب انرژی کمک می‌کند.

چه اقدامات محافظتی برای سلول‌های خورشیدی در برابر عوامل محیطی همچون گردوغبار، باران و باد توصیه می‌شود؟

 برای محافظت از سلول‌های خورشیدی در برابر عواملی همچون گرد و غبار، باران و باد، تدابیر متنوعی در مراحل نصب و نگهداری توصیه می‌شود. نصب سلول‌ها در زاویه‌های بهینه موجب کاهش تجمع گرد و غبار می‌شود و در عین حال میزان نور خورشید را به حداکثر می‌رساند. برنامه‌های تمیزکاری منظم نیز با حذف آلودگی‌ها عملکرد را ارتقا می‌دهند. پوشش‌های آبگریز و آنتی‌استاتیک برای جلوگیری از تجمع آب و گرد و غبار بر سطح پنل به‌ویژه در شرایط آب و هوایی بارانی یا خشک مفید هستند و نیاز به نگهداری و تمیز کردن را کاهش می‌دهند. استفاده از سیستم‌های نصب مقاوم و بادوام نیز پایداری پنل‌ها در برابر بادهای شدید را تضمین می‌کند و از آسیب‌های احتمالی جلوگیری می‌کند.

آینده فناوری سلول‌های خورشیدی را چگونه می‌بینید؟ آیا تحولات انقلابی در این زمینه پیش‌بینی می‌کنید؟

آینده فناوری سلول‌های خورشیدی، افق‌های نوینی را نوید می‌دهد که با پیشرفت‌های بالقوه انقلابی در سراسر جهان همراه است. یکی از این نوآوری‌ها، فیلم‌های فتوولتائیک شفاف است که با امکان استفاده در پنجره‌ها، ساختمان‌ها را به سطوح تولیدکننده انرژی تبدیل می‌کند. این فناوری نه تنها به کاربرد منابع انرژی تجدیدپذیر در محیط‌های شهری می‌افزاید، بلکه کارایی ساختمان‌ها را نیز با بهره‌گیری از نور طبیعی و تولید هم‌زمان انرژی افزایش می‌دهد، همچنین راه‌حل‌های پیشرفته ذخیره‌سازی انرژی به تکمیل فناوری‌های فتوولتائیک کمک می‌کنند و توان قابل اعتمادی را حتی زمانی که نور خورشید در دسترس نیست، فراهم می‌کنند.

خبرنگار: مریم ترک‌زاد

انتهای پیام