-
تولید برق از خورشید
تولید برق از خورشید: امید یا شکست؟
نسل جدید سلول‌های خورشیدی با هزینه بسیار پایین‌تر و انعطاف‌پذیری بالاتر، توانسته است راه را برای استفاده اقتصادی از این انرژی جایگزین و توسعه فناوری‌های سبز و سازگار با محیط زیست هموار کند.
مجید جویا- نیروی خورشیدی سهم خود را از منتقدین دارد که به دومی اعتقاد دارند. به گفته آنها سلول‌های فتوولتائیک بیش از حد گران هستند، و ساخت آنها نیاز به مقادیر عظیمی از مواد اولیه و انرژی دارد. و علاوه بر این ناکارامد هم هستند، و در بهترین حالت 20 درصد از پرتوهای ورودی را به توان برق قابل مصرف تبدیل می‌کنند.
در نتیجه، به عقیده این منتقدین، سلول‌های خورشیدی فقط می‌توانند بخش کوچک و به نسبت گران قیمتی از منابع انرژی آینده ما باشند. در آب‌وهوای مناطق سرد و همواره ابری اروپا و شمال امریکا، تامین نیاز برق جمعیت فقط با استفاده از سلول‌های فتوولتائیک به معنی پوشاندن 5 تا 15 درصد از کل سطح زمین این مناطق با آنها خواهد بود.
ولی به گزارش نیوساینتیست، شاید این بدبینی‌ها با خروج نسل جدید صفحات خورشیدی از خط تولید کمتر شود. این صفحات که باریک، انعطاف‌پذیر و متنوعند و تنها بخشی از مواد اولیه (و پول) لازم برای تولید ابزارهای فتوولتائیک سنتی را مصرف می‌کنند، می‌توانند محرکی باشند که انرژی خورشیدی لازم دارد، و راه را برای مجموعه‌ای از کاربردهای جدید باز کنند: مثلا موبایل‌ها و لپ‌تاپ‌های خورشیدی، یا ژنراتورهای باریکی که در سطوح خمیده یا حتی پنجره‌های ساختمان پنهان می‌شوند.
دردسرهای فناوری سنتی
سلول‌های فتوولتائیک تاکنون برای طرفداران انرژی‌های تجدید پذیر یک انتخاب ناخوشایند بودند. اگر هزینه کم و قابلیت انعطاف مسئله اصلی باشند، ناکارامدی هزینه‌ای است که پرداخت می‌شود: بهترین سلول‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر، که از نوارهای باریک سیلیکون غیر بلوری یا پلیمرهای آلی ساخته می‌شوند، تنها 10 درصد از پرتوهای خورشید را به برق تبدیل می‌کنند. این مسئله باعث ناکارامدی آنها برای ابزارهایی مانند کوله پشتی تولید کننده برق می‌شود. برای بازدهی بالاتر، شما نیاز به سیلیکون کریستالی دارید، که نور را کمتر از هم‌خانواده غیر کریستالی خود جذب می‌کنند، ولی در طیف وسیع‌تری از طول‌موج‌ها جواب می‌دهند. ساختن یک سلول خورشیدی که بازدهی 20 درصدی داشته باشد نیاز به قطعه‌های ضخیم و گران قیمت از این مواد دارد.
برای آشتی دادن بازدهی با ارزانی باید از تفکر در این قالب خارج شد. سلول‌های خورشیدی، تا پیش از این از یک لایه تخت از یک نیمه‌رسانای جاذب نور تشکیل می‌شدند. گزینه‌ای که در حال حاضر بر روی آن کار می‌شود، جایگزینی این لایه با یک نوار از سیم‌های نیمه‌رسانا در مقیاس نانو است که به طور عمودی قرار گرفته‌اند. نور در این جنگل از درختان نانو به دام می‌افتد، و بین این ستون‌های سیمی حرکت می‌کند. به گفته علی جاوی، که از پژوهشگران پیشروی این حوزه در دانشگاه برکلی کالیفرنیا است، «این کار جذب نور را بهینه می‌کند».
ولی جذب به تنهایی کفایت نمی‌کند: نور باید به حاملین بار مانند الکترون‌ها تبدیل شود تا بتواند در سیم‌ها جریان داشته باشد و وارد شبکه برق شود. اینجا، ساختار داخلی کریستالی سیم‌های نانو خیلی حیاتی است. هر نقصی سبب تشکیل «حفره»های به دام اندازنده الکترون‌ها، و مانع از حرکت آنها شده و بازدهی کلی سلول را تحت تاثیر قرار می‌دهند. بلور سیلیکونی در یک سلول معمولی عموما ناقص است، در نتیجه جاوی و همکارانش یک نیمه‌رسانا جایگزین را آزمودند، تلورید کادمیوم. سلول‌های تولید شده با این ماده به لحاظ استفاده از مواد اولیه اقتصادی هستند، ولی مانند سلول‌های سیلیکونی غیر بلوری، تنها 6 درصد از پرتوهای خورشیدی را به توان قابل استفاده تبدیل می‌کنند.
نسبت کم تبدیل تا حدی به دلیل یک نقطه ضعف در طراحی عمودی است: نوک سیم‌ها تنها درصد کمی از سطح رو به خورشید سلول را تشکیل می‌دهند، در نتیجه بخش اعظم نور خورشید تابیده به سلول جذب نشده می‌ماند. در فوریه سال جاری، هری اتواتر و همکارانش از موسسه صنعتی کالیفرنیا در پاسادنا راه حلی را برای این مشکل ارائه کردند. آنها از میله‌های سیلیکونی در ابعاد میکرومتر که کمی ضخیم‌تر از سیم‌های گروه جاوی بودند استفاده کردند، و یک پلیمر حاوی نانوذرات بازتاب دهنده نور را به فضای بین آنها تزریق کردند. پلیمر، نور جذب نشده را به سوی میله‌ها منحرف می‌کند و این کار، در ترکیب با یک لایه بازتاب دهنده نقره‌ای در کف سلول، سلول‌ها را قادر می‌سازد تا 85 درصد از نور ورودی را جذب کنند. با این حال، تلفات (که عمدتا از نقص در ساختار کریستالی میله‌های میکرو ناشی می‌شود) بازدهی کلی را به زیر 20 درصد می‌کشاند که هم اندازه بهترین سلول‌های سیلیکونی کریستالی است.
چرا این همه تلاش؟
پس اگر بازدهی بهتر نمی‌شود چرا این همه تلاش؟ کلید پاسخ این است که اگرچه بازدهی سلول‌ها بهتر نشده است، ولی آنها تنها یک صدم مواد اولیه سلول‌های سنتی را مصرف می‌کنند. علاوه بر آن، آنها کاملا انعطاف‌پذیر هستند: می‌توان آنها را خم کرد، از جایی که نصب شده‌اند به راحتی کند و در جای دیگر چسباند. حتی می‌توان از آنها به عنوان بخشی از کاشی‌های سقف ساختمان استفاده کرد.
جان راجرز و همکارانش از دانشگاه ایلینویز در حال انجام چنین کاری هستند. آنها سلول‌های خورشیدی خود را با استفاده از ساختارهای سنتی سیلیکونی و قرار دادن آنها بر روی یک سطح انعطاف‌پذیر پلیمری می‌سازند. بازدهی سلول‌های به دست آمده تقریبا 12 درصد است، هر چند که راجرز فکر می‌کند که با تغیراتی چون افزودن مولکول‌های فلوئورسنت برای جذب نورهایی که از کناره‌های ابزار وارد می‌شوند، می‌توان این بازدهی را بالاتر از این برد. سلول‌های او یک ویژگی منحصر به فرد هم دارند: با قرار دادن ترکیبات سلول با فاصله بیشتر از هم روی لایه پلیمری، سلول می‌تواند شفاف شود. به این ترتیب می‌توان به ساخت پنجره‌های تولید کننده برق هم امیدوار بود.
راجرز هم برای اقتصادی کردن فناوری خود یک شرکت تاسیس کرده است که Semprius نام دارد، و بیش از ده ماژول برای شرکت‌های تولید برق در سراسر جهان تولید کرده تا عملکرد طولانی مدت آنها را بیازماید. هدف دیگر، کار بر روی سلول‌های نصب شونده روی اتومبیل است تا برق لازم برای سیستم صوتی، جی‌پی‌اس و حتی تهویه مطلوب خودرو را تامین کند. وارت دفاع ایالات متحده نیز برای مقاصد نظامی خود از کار راجرز حمایت مالی می‌کند.
می‌توان زیرساخت‌های پلاسمونیک را نیز طراحی کرد تا نور ورودی را طوری خم کنند که به جای اینکه وارد ابزار شود در طول سطح آن حرکت کند. یک لایه باریک از سیلیکون با 100 نانومتر عمق می‌تواند نوری را جذب کند که معمولا در سلول‌هایی بسیار ضخیم‌تر جذب می‌شود. البرت پلمان از موسسه فیزیک اتمی و مولکولی آمستردام در هلند که چنین سلول‌هایی را طراحی کرده است می‌گوید: «جذب در 100 نانومتر ناچیز است ولی اگر نور را 90 درجه کج کنید داستان دیگری خواهد بود».
مسئله مواد اولیه
از زمان تولید اولین سلول فتوولتائیک مدرن در سال 1954، بازدهی این سلول‌ها به کندی و با بهبود خلوص مواد استفاده شده بالاتر رفته است. مواد جایگزین معمولا حاوی عناصر کمیابی مانند تولریوم، ایندیوم و سلنیوم هستند، در نتیجه فناوری‌هایی که مقدار مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت سلول‌های خورشیدی را کاهش می‌دهند، با استقبال مواجه می‌شوند. کم کردن هزینه‌ها نیز این فناوری را برای اقتصادهای در حال توسعه در دسترس‌تر می‌کند، کشورهایی که خیلی از آنها نور خورشید زیادی دارند ولی پول برای استفاده از آن ندارند.
اکنون زمان آن فرا رسیده که این فناوری در همه جا برای خود کاربردهای واقعی پیدا کند. اکنون و با ترکیب برنده برتری اقتصادی، بازدهی خوب وانعطاف‌پذیری، جدیدترین نسل سلول‌های خورشیدی بالاخره می‌تواند به طرفدارانش این امکان را بدهد که منتقدان را ساکت کنند.
