آخرین پیشرفتها در حوزه فتوولتائیک‌ها
پلاستیک‌ها هم به‌عنوان نیمه‌هادی‌های آلی تخصصی و هم به‌عنوان زیر لایه برای تولید ارزان‌تر و منعطف‌تر تجهیزات، گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی سلول‌های خورشیدی بر پایه سیلیکون هستند.
امروزه رشد جهانی مصرف انرژی و انتشار بیش‌ازپیش گازهای گلخانه‌ای، منجر به افزایش آلودگی‌های زیست‌محیطی شده و ادامه این روند صدمات جبران‌ناپذیری را برای محیط‌زیست به همراه خواهد داشت. در قرن اخیر به‌منظور کاهش وابستگی جهانی به منابع انرژی تجدید ناپذیر و سوخت‌های آلوده‌کننده، تلاش‌های علمی زیادی برای تولید انرژی از منابع تجدید پذیر مانند نور خورشید صورت گرفته که ازجمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به تولید انرژی الکتریکی با استفاده از سلول‌های خورشیدی اشاره کرد.
بسیاری از نیمه‌رساناها می‌توانند الکتریسیته را از نور خورشید تولید کنند. سلول‌های فوتوولتایی که اغلب سلول‌های خورشیدی نامیده می‌شوند، ازجمله قطعات حالت‌جامد هستند که بر اساس تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته، کار می‌کنند. از مزایای این روش تبدیل انرژی این است که مواد غیر دوست‌دار محیط‌زیست تولید نمی‌کند و منبع نامحدودی از انرژی در اختیارمان قرار می‌دهد. متداول‌ترین و بهترین سلول‌های خورشیدی توسعه‌یافته، 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 اصلی‌ترین گزینه‌ها در ساخت سلول‌های خورشیدی به شمار آید. بااین‌حال سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سخت و غیرقابل انعطاف‌اند و هزینه تولید و هم‌چنین اسقاط بالایی دارند.
بنا بر همین دلایل، محققان در حال بررسی پتانسیل سلول‌های خورشیدی "آلی" (که با نام سلول‌های فتوولتائیک آلی نیز شناخته می‌شوند) هستند. مواد آلی معمولاً به‌عنوان نیمه‌رسانا (به‌جای سیلیکون) برای تبدیل نور به برق مورداستفاده قرار می‌گیرند و عموماً از مواد پلیمری بسیار تخصصی برای این منظور استفاده می‌شود.
در ساخت این نوع جدید از سلول‌های خورشیدی، به‌طورمعمول از پلیمرها برای ساخت "جوهر" استفاده‌شده که بر روی یک زیرلایه پلاستیکی چاپ می‌شوند. این سلول‌ها عموماً انعطاف‌پذیرند و ساخت آن‌ها بسیار ارزان‌تر از نمونه سیلیکونی آن‌هاست. این مزیت‌ها می‌توانند منجر به گسترش استفاده از این نوع جدید از فتوولتائیک‌ها شود.
استفاده از لیزر
محققان دانشگاه پلی‌تکنیک میلان در ایتالیا به‌تازگی از لیزرهای با پالس کوتاه برای مطالعه خواص سلول‌های خورشیدی آلی استفاده کردند. این محققان معتقدند ازجمله معایب این سلول‌ها کم‌تر بودن بازدهی تبدیل نور به الکتریسیته در آن‌ها نسبت به سلول‌های سیلیکونی است و ازآنجاکه مواد آلی دارای فیزیک پیچیده‌تری نسبت به مواد معدنی بلوری مانند سیلیکون هستند حل این مسئله با دشواری بیش‌تری همراه شده است. بااین‌وجود، محققین ایتالیایی با استفاده از لیزرهای پالس کوتاه درباره رفتار این مواد به پژوهش پرداخته و درنهایت موفق به یافتن راهی برای بهبود بازدهی سلول‌ها به‌وسیله کاهش اتلاف در سطح مشترک بین ماده دهنده و گیرنده شدند. آن‌ها از آمیزه دو ماده آلی در این مطالعه استفاده کردند و نتایج بررسی‌ها 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، سلول‌های فتوولتائیک آینده که با استفاده از تکنولوژی مواد آلی ساخته می‌شوند منبع ارزان‌تر انرژی و با تأثیرات زیست‌محیطی کم‌تر خواهند بود. دیگر مزیت مهم سلول‌های جدید انعطاف‌پذیری مکانیکی بالای آن‌هاست که امکان استفاده از آن‌ها در کاربردهای روزمره مانند پنجره‌ها، خودروها، و حتی البسه را فراهم می‌آورد. نتایج این پژوهش به‌تازگی در مجلهٔ 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 17% و فرآیند پذیری بسیار عالی برای پوشش سطوح وسیع شده است. اگرچه فتوولتائیک‌های آلی دارای مزایای مختلفی هستند، اما معمولاً در آزمایشگاه و به‌وسیله فرآیند پوشانش چرخشی در اندازه‌های زیر 1/0 سانتی‌متر مربع تولید می‌شوند و این محدودیت اندازه برای پیشرفت آن‌ها در آینده ایجاد محدودیت می‌کند.
در فرآیند پوشانش چرخشی (spin coating) فیلم‌های خیس در اثر سرعت‌بالای چرخش به‌سرعت خشک می‌شوند. از طرفی، با افزایش مساحت، از سرعت خشک شدن فیلم کاسته می‌شود که این امر می‌تواند بر عملکرد نهایی آن‌ها اثرگذار باشد. به گفته این محققان چینی، ساخت سلول‌های OPV (فتوولتائیک آلی) با بازدهی بالا، با روش‌های موجود برای پوشش دهی مساحت‌های زیاد هنوز هم چالشی بزرگ به‌حساب می‌آید. بااین‌وجود آن‌ها موفق شدند با اصلاح ساختار شیمیایی یکی از پلیمرهای آلی که باعث افزایش راندمان به 17% شده است، بر این مشکل غلبه کنند. نتایج این پژوهش که در مجله National Science Review منتشرشده است حاکی از آن است که تغییر ساختارهای شیمیایی مواد فعال نوری در تولید مساحت‌های بزرگ‌تر از اهمیت بالایی برخوردار است.
عملکرد در محیط‌های 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 هم‌زمان می‌تواند سیگنال‌های داده‌های چندگانه پرسرعت را نیز دریافت کند. به گفته این محققان، این طرح می‌تواند در پیشرفت‌های بعدی دستگاه‌های خود شارژ شونده متصل به اینترنت بسیار مفید باشد.
این گروه تحقیقاتی با استفاده از یک ترکیب بهینه از مواد نیمه‌رسانای آلی OPVهای پایداری را تولید کردند که قادر به تبدیل نور محیط‌های مسقف به برق هستند. در یک آزمون ارتباط نوری بی‌سیم، پنلی از 4 سلول OPV مورداستفاده قرار گرفت. به گفته پروفسور Graham Turnbull از بخش Organic Semiconductor Centre دانشگاه St Andrews، این فتوولتائیک‌های آلی بستری فوق‌العاده برای برداشت برق از محیط‌های بسته برای تلفن‌های همراه فراهم می‌آورند و مزیت آن‌ها نسبت به سیلیکون این است که می‌توان آن‌ها را برای دست‌یابی به حداکثر بازده کوانتومی برای طول‌موج‌های روشنایی LED طراحی کرد که علاوه بر قابلیت دریافت داده، فرصت مهمی را برای دستگاه‌های خود شارژ شونده اینترنت اشیا فراهم می‌آورند.
اینترنت چیزها (Internet of Things (IoT)) یا چیزنت که گاهی اصطلاح اینترنت اشیا نیز برای آن به کار می‌رود، به‌طورکلی به اشیا و تجهیزات محیط پیرامون‌مان که به شبکه اینترنت متصل شده و توسط اپلیکیشن‌های موجود در تلفن‌های هوشمند و تبلت قابل‌کنترل 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 به‌سادگی 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 در برمی‌گیرد.
معمولاً نمی‌توان 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 تاکنون چنین چیزی نشان داده نشده است. می‌توان این‌طور تصور کرد که هنگام برداشت انرژی کافی برای تأمین انرژی بسیاری از حس‌گرهای توزیع‌شده هوشمند، پردازش داده‌ها و گره‌های 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 کرده‌اند. در این محصولات آزمایشی از یک ماده تولید کننده نیرو برای OPV استفاده می‌شود که Toyobo در حال تولید آن است. این ماده می‌تواند به‌راحتی در حلال‌ها حل‌شده و درنتیجه به‌طور مساوی روی یک‌لایه 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 130 میکرووات خروجی داشت. Toyobo قصد دارد تا اوایل سال 2023 این ماده را برای استفاده به‌عنوان منبع تغذیه بی‌سیم در دستگاه‌هایی مانند حس‌گرهای رطوبت، دما، و سنسورهای حرکتی تجاری کند.
ارتقای آمیزه‌ها
محققان دانشگاه هیروشیما در ژاپن با ترکیب چندین نیمه‌رسانای پلیمری و مولکولی موفق به ساخت یک سلول خورشیدی با بازده انرژی بالاتر و تولید برق بیش‌تر شده‌اند. این تیم تحقیقاتی با افزودن مقدار کمی از آمیزه‌ای که نور را در طول‌موج‌های طولانی جذب می‌کند، موفق به تولید OPV با کارآمدی 5/1 برابری نسبت به نمونه بدون آمیزه شده‌اند. این آمیزه به دلیل تداخل نوری در دستگاه، شدت جذب را افزایش می‌دهد.
Itaru Osaka نویسنده مسئول مقاله مربوط به این پژوهش، که به‌تازگی در مجله Macromolecule به چاپ رسیده است، دراین‌باره می‌گوید: "مقدار بسیار کمی از یک ماده حساس کننده به سلول OPV (شامل یک پلیمر نیمه‌رسانا است که قبلاً موفق به ساخت آن شدیم) افزوده شد. این امر منجر به افزایش قابل‌توجهی در بازدهی تبدیل جریان نوری و نیرو می‌شود. راه‌حل کلیدی، استفاده از یک پلیمر بسیار ویژه است که امکان دست‌یابی به یک‌لایه نیمه‌رسانای بسیار ضخیم برای سلول‌های OPV را فراهم می‌آورد که می‌تواند اثر تداخل نوری را افزایش دهد. "وی در این رابطه افزود که این تیم تحقیقاتی سعی دارد در آینده از طریق تولید پلیمرهای نیمه‌رسانا و مواد حساس کننده بهتر که قادر به جذب بیش‌تر فوتون‌ها در ناحیه طول‌موج‌های بلندتر باشند، بازدهی را به میزان بیش‌تری افزایش دهد. به عقیده آن‌ها این امر به دست‌یابی به بالاترین بازده سلول‌های OPV در جهان منجر خواهد شد.
مشکلات پلی‌آمید
پلاستیک‌ها علاوه بر آن‌که گزینه‌ای غیر سیلیکونی برای انرژی خورشیدی به‌حساب می‌آیند، نقش کلیدی در فوتوولتائیک‌های معمولی نیز ایفا می‌کنند و در بخش‌هایی مانند صفحات پشتی که از اجزای الکترونیکی ظریف سلول محافظت می‌کنند، به کار می‌روند. در این بخش، آن‌ها باید از سلول در مقابل عواملی چون اشعه ماوراءبنفش، باد، باران شدید، و... که عمر مفید سلول خورشیدی را کوتاه می‌کنند، محافظت کنند. محققان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) دریافتند که بسیاری از صفحات خورشیدی دچار نقص زودهنگام می‌شوند که علت آن ترک خوردن صفحه پشتی است. ترک‌خوردگی زودرس عمدتاً ویژگی پلاستیک‌هایی مانند پلی‌آمید است، اما دلیل تخریب سریع آن‌ها هنوز مشخص نشده است. در حال حاضر، تیم مشترک تحقیقاتی NIST و Arkema دریافته‌اند که چگونه برهم‌کنش‌های بین این پلاستیک‌ها، عوامل محیطی، و معماری صفحه خورشیدی ممکن است روند تخریب را تسریع کند. این یافته‌ها، که در Progress in Photovoltaics: Research and Applications نیز منتشرشده است، می‌تواند به محققان برای اجرای آزمون‌های بهتر مقاومت و ساخت صفحه‌های خورشیدی بادوام بیش‌تر کمک کند. Xiaohong Gu، مهندس مواد در NIST و از نویسندگان این مقاله، این‌طور بیان کرده است: "در بازه زمانی 2010 تا 2012، بسیاری از ماژول‌ها دارای صفحه پشتی بر پایه پلی‌آمید بودند که باوجود برآورده کردن شرایط استاندارد، شکست در اثر ترک‌خوردگی چشم‌گیری را در کم‌تر از چهار سال ثبت کرده‌اند."
Gu و گروهش نمونه‌هایی از این صفحات پشتی را از صفحه‌های خورشیدی در سراسر جهان، از جمله بخش‌هایی در ایالات‌متحده آمریکا، چین، تایلند، و ایتالیا، جمع‌آوری کردند. اکثر این صفحات که عمر مفید سه تا شش سال داشتند، نشانه‌های واضحی از ترک‌خوردگی زودرس را نشان داده‌اند. در ادامه، آزمایش‌های شیمیایی و مکانیکی نیز برای بررسی الگوها و شدت تخریب بر روی این نمونه‌ها صورت گرفت. نتایج این آزمایشات حاکی از آن بود که مناطقی که بیش‌ترین ترک در آن‌ها ایجادشده بود، به سخت‌ترین مناطق نیز تبدیل شدند. به گفته Gu، نکته عجیب این بود که قسمت‌های داخلی ورق‌ها شکنندگی بیش‌تری داشتند. آن‌ها حدس می‌زنند که تخریب ناشی از نور خورشید در قسمت بالای مخزن یعنی فیلمی که سلول‌های خورشیدی را احاطه کرده است، مواد شیمیایی مخربی تولید می‌کند که به سمت صفحه پشت مهاجرت، و روند تخریب این صفحات را تسریع می‌کند. این سازوکار می‌تواند دلیل ایجاد شکاف بین سلول‌های خورشیدی را توضیح دهد چراکه مواد شیمیایی از طریق این مناطق می‌توانند به صفحه پشت راه یابند.
این محققان اسیداستیک را به‌عنوان عامل اصلی این اتفاق معرفی کردند: همان‌طور که می‌دانیم، این ماده برای پلی‌آمید مضر است و در صورت تخریب اتیلن‌وینیل‌استات (EVA) تولید می‌شود. به‌منظور آزمایش این فرضیه، محققان تخریب نوارهای پلی‌آمید را در اسیداستیک، هوا و آب باهم مقایسه کردند. در نمونه‌هایی که در معرض اسید استیک قرار گرفتند، ترک‌هایی به وجود آمد که مشابه ترک در نمونه‌هایی بود که در صفحه پشتی دیده می‌شوند و این ترک‌ها بسیار بدتر از ترک در نمونه‌هایی 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 موردتوجه قرار گیرد.