جذب بیشتر انرژی خورشید به کمک نانو تکنولوژی

بازده سلول های خورشیدی تجاری موجود، ۸ تا ۱۵ درصد در نوسان است و نمونه های تحقیقاتی در بهترین حالت، بازده ۲۵ درصدی دارند، در حالی كه ۲۰ روز تابش خورشید، انرژی ای معادل تمام ذخایر نهفته نفت و گاز و زغال سنگ كره زمین تولید می كند.
كمك علم برای بهره برداری بیشتر از این منبع عظیم ضروری می نماید. در این مقاله، نتایج آخرین دستاوردهای نانو تكنولوژی در این زمینه بررسی شده است. كریستال های در مقیاس نانو می توانند بازده سلول های خورشیدی را تا میزان شگفت آوری افزایش دهند. تقریباً هركس كه با كولكتورهای خورشیدی سروكار دارد، مزیت های سلول های فتوولتاییك را می داند. آنها به آرامی و بی سر و صدا الكتریسیته تولید می كنند و نیاز چندانی به تعمیرات و نگهداری ندارند. سلول های فتوولتاییك به ویژه برای كاربردهایی مناسبند كه به توان و انرژی كمی نیاز دارند و باید پیوسته كار كنند و پرداخت چند دلار برای هركیلووات ساعات مشكل عمده ای برآنها محسوب نشود. برای این كه گستره استفاده از سلول های فتوولتاییك افزایش یابد، بهای آنها باید پایین بیاید. این به آن معناست كه یا باید بهای ساخت و هزینه های تولید این سلول ها را كاهش دهیم و یا بازده آنها را در تبدیل انرژی خورشید به الكتریسیته بالا ببریم. پژوهشگران دانشگاه تورنتو دستاورد مهمی در این زمینه به دست آورده اند. آنها نوع جدیدی از سلول پلاستیكی ساخته اند كه بیش از ۳۰ درصد انرژی تابشی روی آن را جذب می كند و با این هزینه، اكنون بازده بیش از ۶ درصد را برای سلول های خورشیدی صنعتی نمی توان یافت. كلید این معما لایه های بسیار نازك ذرات در مقیاس نانو (یك میلیاردم) است. با این كه سلول های خورشیدی، كاربردهای فراگیر و همه جانبه دارند، تولیداتی پیچیده هستند. اثر پدیده فتوولتاییك بخشی ازمكانیك كوانتوم است. فوتون ورودی در راهش به مواد نیمه رسانه برخورد می كند، موادی مانند كریستال های سیلیكون و الكترون هایی را كه می توانند برای ایجاد جریان استفاده شوند، آزاد می كند. همانند تمام اثرهای كوانتوم، احتمال وقوع پدیده یا حتمی است یا هرگز صورت نمی پذیرد. اگر فوتونی كه می آید، انرژی كمی داشته باشد، الكترون را هرگز برنخواهد انگیخت و اگر انرژی آن بسیار زیاد باشد، انرژی اضافی به هدر می رود. از آنجاكه انرژی فوتون با طول موجش متناسب است، سلول های خورشیدی معمولاً نورهای قرمز و مادون قرمز را از دست می دهند و نور آبی منشور را هم هدر می دهند. تا چندی پیش، سلول های فتوولتاییك را با فناوری سیلیكون نیمه هادی می ساختند، اما پژوهش های كنونی برای افزایش بازده سلول ها به سمت استفاده از مواد پلیمری گرایش یافته است. برخلاف كریستال ها، نیمه هادی های پلاستیكی كم بهاتر و به شدت انعطاف پذیر هستند.
شركت كوناركا از لوول ماساچوست و موسسه اكول پلی تكنیك در سوییس در حال ساخت سلول های پلاستیكی خورشیدی هستند كه می توانند درون تار و پود چادرها، كیف های كوله پشتی و یا حتی البسه كار گذارده شوند. سلول های پلیمری فتوولتاییك، با همه مزیت هایشان، كم بازده اند و تنها ۶ درصد انرژی تابیده شده بر خود را استفاده می كنند. این میزان، یك سوم كمتر از بازده بهترین سلول های خورشیدی سیلیكونی است. یكی ازمشكلات عمده، یافتن ماده پلیمری حساس به نورهای قرمز و مادون قرمز و طیف های پایانی منشور بود. مهندس ادوارد سارجنت و همكارانش در دانشگاه تورنتو، به جای جست و جوی پلیمر جذب كننده نور قرمز، تصمیم گرفتند كه ماده دیگری با توان جذب طول موج های بالاتر را با پلیمر جفت كنند. امید براین بود كه این ماده هیبریدی (تركیبی) به طیف های گسترده نور، حساسیت لازم را داشته باشد. تیم «سارجنت» نقاط كوانتومی را بررسی كردند؛ كریستال های نیمه هادی در مقیاس نانو كه می توانند الكترون ها را در هر سه بعد در خود محبوس كنند. به دلیل داشتن این ویژگی ها حساسیت آنها به نور به اندازه آنها بستگی دارد. هرچه نقطه بزرگ تر باشد، طول موجی كه جذب می كند، بزرگ تر خواهد بود. نقاط این چنینی در مقیاس نانو سال ها است كه برای مصارف محاسباتی و لیزرها كاربرد دارند. گروه كریستال هایی در مقیاس نانو از جنس سولفید سرب را انتخاب كردند كه می توانند برای جذب طول موج هایی از ۸۰۰ تا ۲۰۰۰ نانومتر تنظیم شوند. این محدوده شامل قرمز و مادون قرمز شدید نیز می شود. با تركیب این كریستال ها با پلیمری كه به نورهای آبی و سبز حساس است، كریستال های در مقیاس نانو می توانند نورهای قرمز و مادون قرمز را به انرژی و پلیمر می تواند این انرژی را به جریان الكتریكی تبدیل كند. برای آزمایش این ایده، سارجنت و همكارانش ساندویچی با ۱۰۰ لایه نانومتری از نانوكریستال ها با پلیمرنیمه هادی بین دو لایه فلز ساختند. هنگامی كه نمونه در برابر نور مادون قرمز قرار گرفت، سلول ۱۰۰۰ برابر بیشتر از یك پلیمر فتوولتاییك ساده (با بازده سه درصد) الكتریسیته ایجاد كرد. سلولی كه از این مواد ساخته می شود، بازده بالای ۳۰ درصد را به دست خواهد آورد. ملاك ارزیابی، میزان انرژی تابشی تبدیل شده به الكتریسیته است. با این روش، حداقل مقامی برابر با بهترین سلول های خورشیدی كنونی به دست می آید. مجموعه پلیمر، نانو كریستال مزیت های دیگری نیز دارد. این ماده می تواند روی سطوح پاشیده یا به صورت رنگ مالیده شود كه خود هزینه نصب سلول های فتوولتاییك روی بام ها و دیواره های ساختمان ها را كاهش می دهد، همچنین به راحتی می توان آنها را در تاروپود منسوجات و چادر ها به كار برد.

منبع : نمایشگاه بین‌المللی