تیمی از پژوهشگران بینالمللی به رهبری دانشمندان دانشگاه کالج لندن (UCL) موفق به طراحی سلولهای خورشیدی نیمهشفافی شدهاند که قابلیت نصب روی پنجره ساختمانها را دارند. این سلولها در حالی که امکان عبور بخشی از نور طبیعی را فراهم میکنند، همزمان انرژی نور خورشید و حتی نور محیط داخلی ساختمان را جذب کرده و آن را به برق تبدیل میکنند.
نتایج این پژوهش که در مجله معتبر Advanced Energy Materials منتشر شده، نشان میدهد این فناوری میتواند حتی در روزهای ابری، هنگام غروب یا در شرایطی که تنها نور مصنوعی داخل ساختمان وجود دارد نیز به تولید برق ادامه دهد. این ویژگی، پنجرههای خورشیدی را نسبت به بسیاری از پنلهای خورشیدی رایج متمایز میکند؛ زیرا بیشتر پنلهای متداول تنها در حضور مستقیم نور خورشید بیشترین بازده را دارند. پنجرههایی که هم نور عبور میدهند و هم برق تولید میکنند
یکی از مهمترین چالشهای توسعه پنجرههای خورشیدی، حفظ شفافیت شیشه بوده است. پژوهشگران در این پروژه موفق شدهاند پنجرهای طراحی کنند که حدود ۳۰ درصد نور خورشید را از خود عبور میدهد و فضای داخلی ساختمان همچنان از نور طبیعی بهرهمند میشود.
اگرچه شیشههای معمولی بین ۸۰ تا ۹۰ درصد نور را منتقل میکنند، اما در مقابل هیچ انرژی تولید نمیکنند. پنجرههای جدید با وجود کاهش میزان عبور نور، قابلیت تولید برق از نور طبیعی و مصنوعی را دارند و همین موضوع میتواند ارزش اقتصادی قابل توجهی برای ساختمانهای مدرن ایجاد کند. استفاده از پروسکایت؛ مادهای که آینده انرژی خورشیدی را تغییر میدهد
راز موفقیت این فناوری در استفاده از مادهای پیشرفته به نام پروسکایت نهفته است. این ماده در سالهای اخیر به یکی از مهمترین گزینهها برای ساخت سلولهای خورشیدی نسل جدید تبدیل شده است.
برخلاف پنلهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون که عملکرد اصلی آنها وابسته به نور مستقیم خورشید است، ترکیب شیمیایی پروسکایت به گونهای قابل تنظیم است که بتواند طول موجهای مختلف نور، از جمله نور لامپها و روشنایی داخل ساختمان را نیز جذب کند. به همین دلیل پنجرههای ساختهشده با این فناوری حتی در شب یا محیطهای بسته نیز قادر به تولید برق خواهند بود. طراحی فوقالعاده نازک برای حفظ شفافیت
محققان برای دستیابی به بهترین عملکرد از مدلسازیهای پیشرفته رایانهای استفاده کردند تا ضخامت ایدهآل لایههای تشکیلدهنده سلول خورشیدی را تعیین کنند.
در نهایت آنها موفق شدند لایه جذبکننده نور را با ضخامت تنها ۱۸۵ نانومتر تولید کنند؛ ضخامتی که حدود ۵۰۰ برابر نازکتر از موی انسان است. این در حالی است که در سلولهای خورشیدی رایج، لایه پروسکایت معمولاً سه تا چهار برابر ضخیمتر ساخته میشود.
نازک بودن این لایه باعث شده است که علاوه بر حفظ شفافیت پنجره، بازده تولید انرژی نیز در سطح قابل قبولی باقی بماند. افزایش دوام سلولهای خورشیدی با یک مولکول ویژه
یکی از مشکلات رایج سلولهای خورشیدی پروسکایتی، وجود نقصهایی در ساختار کریستالی آنهاست که باعث به دام افتادن الکترونها و کاهش راندمان تولید برق میشود.
پژوهشگران برای رفع این مشکل از مولکولی با نام ۳-تریفلوئورومتیل-۱H-۱،۲،۴-تریآزول استفاده کردند. این ترکیب شیمیایی تعداد نقصهای موجود در ساختار پروسکایت را کاهش داده و همزمان پایداری کریستالها را افزایش میدهد. نتیجه این اقدام، افزایش طول عمر سلول خورشیدی و حفظ عملکرد آن در طول زمان است. کشف الکترودی که نور را مسدود نمیکند
در سلولهای خورشیدی متداول معمولاً از الکترودهای طلایی استفاده میشود که بخش قابل توجهی از نور را جذب کرده و مانع عبور آن میشوند.
اما پژوهشگران این پروژه موفق شدند الکترودی نیمهشفاف طراحی کنند. آنها یک لایه بسیار نازک طلا را میان دو لایه شفاف از اکسید مولیبدن قرار دادند. این ساختار جدید بازتاب نور را کاهش داده و اجازه میدهد نور بیشتری از الکترود عبور کند. نتیجه این نوآوری، افزایش شفافیت پنجره بدون کاهش قابل توجه راندمان تولید برق بوده است. راندمان چشمگیر در نور خورشید و نور داخلی
برای ارزیابی عملکرد این فناوری، تیم تحقیقاتی نمونهای به ابعاد ۳۰ در ۳۰ سانتیمتر تولید کرد.
نتایج آزمایشها نشان داد این پنجره خورشیدی توانسته است حدود ۲۲ درصد انرژی نور داخلی با شدت هزار لوکس را به برق تبدیل کند؛ عددی که برای سلولهای خورشیدی نیمهشفاف یک رکورد قابل توجه محسوب میشود.
همچنین این فناوری موفق شد ۱۴ درصد از انرژی نور خورشید را به برق تبدیل کند. اگرچه این میزان نسبت به برخی پنلهای خورشیدی سیلیکونی کمتر است، اما با توجه به شفاف بودن پنجره و قابلیت تولید برق از نور محیط، دستاورد بسیار مهمی به شمار میرود. مقاومت بالا در برابر گذر زمان
یکی دیگر از ویژگیهای مهم این فناوری، دوام مناسب آن است. بر اساس آزمایشهای استاندارد شتابیافته، این پنجرههای خورشیدی پس از ۳۰۰ ساعت قرار گرفتن مداوم در معرض نور همچنان ۸۰ درصد راندمان اولیه خود را حفظ کردند. این نتیجه نشان میدهد فناوری جدید از پایداری مناسبی برخوردار است و میتواند برای استفاده طولانیمدت در ساختمانها گزینهای قابل اعتماد باشد. کاهش مصرف انرژی ساختمانها
کاربرد این فناوری تنها به تولید برق محدود نمیشود. از آنجا که پنجرههای خورشیدی بخشی از نور خورشید را جذب میکنند، عملکردی مشابه شیشههای دودی یا رنگی دارند و مانع ورود بخش قابل توجهی از گرمای خورشید به فضای داخلی ساختمان میشوند.
در نتیجه، نیاز به استفاده از سیستمهای تهویه مطبوع و کولرها کاهش پیدا میکند. این مزیت بهویژه در کشورهای گرمسیر که بخش بزرگی از برق صرف سرمایش ساختمانها میشود، اهمیت بسیار زیادی خواهد داشت و میتواند هزینه مصرف انرژی را به شکل محسوسی کاهش دهد. آینده پنجرههای خورشیدی؛ از آسمانخراشها تا خودروها
پژوهشگران معتقدند این فناوری تنها آغاز یک تحول بزرگ است. آنها در مرحله بعد قصد دارند سلولهای خورشیدی انعطافپذیری تولید کنند که بتوان آنها را روی سطوح خمیده نیز نصب کرد.
این موضوع به معنای امکان استفاده از پنجرههای خورشیدی روی برجهای شیشهای، سقفهای منحنی، سانروف خودروها، قطارها، اتوبوسها و حتی لباسها، کولهپشتیها و تجهیزات قابل حمل خواهد بود.
چشمانداز بلندمدت این پروژه تولید فیلمهای خورشیدی فوقنازکی است که همانند برچسب روی هر سطح شیشهای نصب شوند و بدون نیاز به تغییرات اساسی در ساختمان یا خودرو، انرژی پاک تولید کنند. گامی بزرگ به سوی شهرهای هوشمند و ساختمانهای انرژیزا
کارشناسان معتقدند اگر این فناوری به تولید انبوه برسد، میتواند مفهوم ساختمانهای مدرن را دگرگون کند. در بسیاری از آسمانخراشهای امروزی، سطح پنجرهها چندین برابر مساحت پشتبام است. بنابراین تبدیل همین سطوح شیشهای به نیروگاههای کوچک خورشیدی، ظرفیت تولید برق ساختمانها را به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد.
چنین فناوریهایی علاوه بر کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی، به تحقق اهداف جهانی کاهش انتشار دیاکسیدکربن، توسعه شهرهای هوشمند و افزایش بهرهوری انرژی کمک خواهند کرد و گام مهمی در مسیر مقابله با تغییرات اقلیمی به شمار میروند.
ابداع پنجرههای خورشیدی نیمهشفاف را میتوان یکی از مهمترین پیشرفتهای سالهای اخیر در حوزه انرژیهای تجدیدپذیر دانست. این فناوری نهتنها امکان تولید برق از نور خورشید را فراهم میکند، بلکه حتی از نور مصنوعی داخل ساختمان نیز انرژی تولید میکند؛ قابلیتی که تاکنون در چنین سطحی کمتر مشاهده شده است. حفظ شفافیت پنجره، راندمان ۲۲ درصدی در نور داخلی، ۱۴ درصدی در نور خورشید، ضخامت تنها ۱۸۵ نانومتری لایه جذبکننده و حفظ ۸۰ درصد عملکرد پس از ۳۰۰ ساعت آزمایش نشان میدهد این فناوری ظرفیت بالایی برای ورود به بازار دارد. اگر توسعه این فناوری با موفقیت ادامه یابد، در آینده نهچندان دور ممکن است پنجرههای ساختمانها و خودروها به یکی از مهمترین منابع تولید برق پاک در جهان تبدیل شوند.
