این فناوری جدید پنل خورشیدی می تواند از آستانه قابل توجهی عبور کند

استفاده از انرژی خورشیدی به طور گسترده‌تری ادامه می‌یابد و علم پشت این فناوری نیز در حال توسعه است: محققان مؤسسه علوم فوتونیکیس (ICFO) در بارسلون، اسپانیا به تازگی از پیشرفتی در مهندسی سلول‌های خورشیدی خبر داده‌اند که می‌تواند نرخ بهره‌وری را فراتر از سقف استاندارد 33 درصد برساند.

وقتی پنل های خورشیدی امروزی نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کنند، بیشتر انرژی در طول مسیر، از طریق گرما و نور از دست می رود – یکی از راه هایی که می توان در مورد آن فکر کرد، «هزینه» تبدیل است. یک نظریه فیزیک معروف به حد شاکلی-کویسر پیش‌بینی می‌کند که ما فقط می‌توانیم در سلول‌های خورشیدی تک لایه استاندارد به نرخ تبدیل 33 درصدی دست پیدا کنیم.

با این حال، دانشمندانی مانند تیم ICFO سخت در تلاش برای شکستن قوانین شاکلی-کویسر هستند. در این مطالعه خاص، تمرکز بر درخشش مادون قرمز ضعیفی است که سلول‌های خورشیدی از خود می‌تابانند: از نظر فنی آن را اتلاف بولتزمن می‌نامند، و این بخشی از دلیلی است که فناوری خورشیدی امروزی زیر آن حد 33 درصد گیر کرده است.

درخشش را شکست دهید

تیم تحقیقاتی ICFO (اعتبار تصویر: ICFO) هنگامی که نور خورشید به یک صفحه خورشیدی برخورد می کند، فوتون های موجود در نور الکترون ها را در مواد نیمه هادی پانل شل می کنند. آن الکترون‌ها را می‌توان به‌عنوان الکتریسیته به بیرون رانده کرد، اما همه الکترون‌ها در زمان جمع‌آوری نمی‌شوند: برخی از آنها فرار می‌کنند و دوباره به فوتون تبدیل می‌شوند، که درخشش مادون قرمز ایجاد می‌کند که در همه جهات به بیرون می‌ریزد.

برای حل این مشکل، تیم ICFO یک سلول خورشیدی استاندارد را برداشت و الکترود جلویی شفاف را عوض کرد - این همان ذره‌ای است که نور خورشید ابتدا به آن برخورد می‌کند، و هم باید الکتریسیته را هدایت کند و هم اجازه می‌دهد تا حد ممکن فوتون‌ها را از خود عبور دهد.

به جای استفاده از اکسید قلع ایندیوم استاندارد برای الکترود جلو، دانشمندان از یک لایه نقره بسیار نازک استفاده کردند که به اندازه کافی نازک بود تا بیشتر نور را عبور دهد، به عنوان یک رسانا عمل کند و همچنین تا حدی مانند یک آینه رفتار کند. این زوایایی را که نور از طریق آنها می تواند فرار کند محدود می کند و نرخ بهره وری را افزایش می دهد.

دکتر فرانسیسکو برنال تککا، نویسنده اول مطالعه جدید می‌گوید: «مطالعه ما گام مهمی در زمینه تبدیل انرژی خورشیدی است، زیرا مسیری کاملا ناشناخته را برای فراتر رفتن از حد شاکلی-کویسر باز می‌کند.

با انطباق و تکامل رویکرد مورد استفاده در اینجا، دانشمندان می گویند که بازدهی نزدیک به 43 درصد می تواند از نظر تئوری امکان پذیر باشد - اگرچه توجه به این نکته مهم است که تیم فقط در آزمایشات خود دستاوردهای کوچکی را در کارایی مشاهده کردند. ادعای 43 درصدی پیش بینی در مورد پتانسیل این روش است.

این رویکرد «جعبه آینه‌ای» برای سلول‌های خورشیدی در گذشته مورد بررسی قرار گرفته است، اما هیچ‌کس قبلا نتوانسته بود آن را در آزمایشگاه کار کند یا همزمان ولتاژ و جریان را افزایش دهد (بخش مهمی از راه‌اندازی).

انباشتن و تقسیم

Longi اعلامیه کارایی خود را برای ارائه داشته است (اعتبار تصویر: Longi) همانطور که محققان ICFO اشاره می کنند، زوایای متعددی برای نزدیک شدن به کارایی پنل های خورشیدی وجود دارد و پیشرفت هایی در همه آنها حاصل شده است. اساسا سه راه وجود دارد که انرژی از نور خورشید در یک پنل خورشیدی از بین می رود: از طریق از دست دادن نور (مانند بالا)، از طریق اتلاف گرما، و از طریق فوتون هایی که انرژی بسیار کمی برای تبدیل دارند.

توجه زیادی به بخش تلفات حرارتی این مشکل شده است، و رایج‌ترین روشی که دانشمندان در تلاش برای دور زدن این مشکل هستند، چیدن دو ماده در کنار هم است. اینها شکاف‌های باند متفاوتی دارند، که اساسا حداقل انرژی مورد نیاز یک فوتون برای شل کردن یک الکترون است. فاصله باند بزرگتر به این معنی است که فوتون های بیشتری را می توان گرفت (که اساسا طیف بیشتری از نور را جذب می کند).

در اوایل سال جاری، سازنده چینی خورشیدی Longi با چیدن یک ماده کریستالی به نام پروسکایت در بالای سلول سیلیکونی معمولی، رکورد جدیدی را با بازده 35.5 درصدی به ثبت رساند. شکاف باند پروسکایت را می توان برای پذیرش طول موج های خاص نور تنظیم کرد که به این معنی است که فوتون های انرژی بالاتری می توانند جذب شوند.

با وجود این، رکوردها و درصدهای مختلفی را مشاهده خواهید کرد که به مواد مختلف و فناوری های مختلف سلول خورشیدی مربوط می شود. به عنوان مثال، محققان دانشگاه کیوشو و دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز اخیرا با استفاده از شکافت منفرد، بازده کوانتومی 130 درصد را با رویکرد خود اعلام کردند.

این یک بازده است، نه یک نرخ بازده: برای مقابله با اتلاف گرمای پنل خورشیدی، شکافت منفرد فوتون‌های انرژی بالا را به دو بسته تقسیم می‌کند که سپس می‌تواند دو الکترون آزاد کند و در این مورد به ازای هر 10 فوتون، 13 بسته انرژی تولید می‌کند. در نهایت می‌تواند کارایی سلول‌های خورشیدی را بیشتر کند، اما برای توسعه آن به کار بیشتری نیاز است.

در حالی که این علم پانل های خورشیدی می تواند بسیار متراکم و پیچیده باشد، درک هدف نهایی ساده است. از آنجایی که این فناوری‌ها پالایش و تجاری می‌شوند، می‌توانیم بدون افزایش اندازه آن‌ها، کاهش قبوض آب و برق و کاهش اتکای خود به انرژی سوخت‌های فسیلی، برق بیشتری از صفحات خورشیدی دریافت کنیم.