گروهی از پژوهشگران موفق شدهاند با استفاده از ساختارهای میکروسکوپی لانهزنبوری، راندمان یک سلول خورشیدی تاندِم مبتنی بر سیلیکون آمورف و سیلیکون کریستالی را به 12.3 درصد برسانند. این دستاورد اگرچه از نظر عدد راندمان با سلولهای تجاری امروزی فاصله دارد، اما از منظر مهندسی ساختار و مدیریت نور میتواند مسیر تازهای برای توسعه نسل آینده سلولهای خورشیدی کمهزینه ایجاد کند.
در سالهای اخیر، افزایش راندمان سلولهای خورشیدی بیش از هر زمان دیگری به طراحی ساختارهای نانومقیاس و بهینهسازی مسیر حرکت نور درون سلول وابسته شده است. پژوهش جدید نیز دقیقاً بر همین موضوع تمرکز دارد.
سلول خورشیدی تاندِم (Tandem Solar Cells) چیست؟
در یک سلول خورشیدی معمولی، تنها بخشی از طیف نور خورشید بهطور مؤثر به برق تبدیل میشود. اما در سلولهای تاندِم (Tandem Solar Cells)، دو یا چند لایه نیمهرسانا روی یکدیگر قرار میگیرند تا هر لایه بتواند بخش متفاوتی از طیف خورشیدی را جذب کند.
در این پژوهش، لایه بالایی از سیلیکون آمورف (a-Si) و لایه پایینی از سیلیکون کریستالی (c-Si) تشکیل شده است. این ترکیب بهطور تئوری میتواند بازده جذب نور را افزایش دهد، زیرا نور با انرژی بالاتر در لایه بالایی جذب میشود و فوتونهای باقیمانده به لایه پایینی میرسند.
مشکل اصلی سیلیکون آمورف چیست؟
سیلیکون آمورف سالهاست که به دلیل هزینه تولید پایین و امکان ساخت روی سطوح مختلف مورد توجه قرار دارد، اما محدودیت مهمی دارد:
ضریب جذب نور آن نسبتاً پایین است و ضخامت کم لایه فعال باعث میشود بخشی از نور بدون جذب از سلول عبور کند. به همین دلیل محققان همواره به دنبال روشهایی برای به دام انداختن نور (Light Trapping) درون این سلولها بودهاند.
ایده ساختار لانهزنبوری چگونه کار میکند؟
پژوهشگران در این پروژه از ساختارهای میکروسکوپی ششضلعی شبیه به کندوی زنبور عسل استفاده کردند. این ساختارها روی سطح سلول قرار میگیرند و باعث میشوند نور ورودی چندین بار درون لایههای مختلف بازتاب پیدا کند. در نتیجه مسیر حرکت نور افزایش یافته و احتمال جذب فوتونها بیشتر میشود. به زبان ساده، به جای آنکه نور مستقیماً از سلول عبور کند، ساختار لانهزنبوری آن را درون سلول «به دام میاندازد» و فرصت بیشتری برای تولید جریان الکتریکی فراهم میکند.
نتایج این فناوری چه بود؟
نتایج آزمایشها نشان داد که استفاده از این ساختار جدید باعث بهبود جذب نور در طولموجهای مختلف شده است.
محققان توانستند راندمان سلول تاندِم را به 12.3 درصد برسانند و همزمان عملکرد نوری لایه سیلیکون آمورف را نسبت به ساختارهای متداول بهبود دهند. اگرچه این عدد هنوز با راندمان بیش از 25 درصدی سلولهای سیلیکونی تجاری فاصله دارد، اما هدف اصلی این پژوهش اثبات اثربخشی ساختار جدید بوده است، نه ثبت رکورد جهانی راندمان.
چرا این دستاورد اهمیت دارد؟
در نگاه اول، راندمان 12.3 درصد شاید چشمگیر به نظر نرسد، اما اهمیت واقعی این پژوهش در رویکرد آن نهفته است.
بسیاری از پیشرفتهای اخیر صنعت فتوولتائیک از طریق توسعه مواد جدید حاصل نشدهاند، بلکه از طریق مهندسی ساختارهای میکروسکوپی و مدیریت بهتر نور به دست آمدهاند.
ساختارهای لانهزنبوری میتوانند:
- جذب نور را افزایش دهند.
- نیاز به ضخامت بیشتر مواد نیمهرسانا را کاهش دهند.
- مصرف مواد اولیه را کم کنند.
- هزینه ساخت سلولهای نسل آینده را کاهش دهند.
- امکان توسعه سلولهای سبکتر و انعطافپذیرتر را فراهم کنند.
نقش فناوریهای مدیریت نور در آینده صنعت خورشیدی
با نزدیک شدن سلولهای سیلیکونی متداول به محدودیتهای فیزیکی خود، بسیاری از پژوهشگران معتقدند که نسل بعدی افزایش راندمان از طریق طراحیهای پیشرفته نوری حاصل خواهد شد.
فناوریهایی مانند:
- ساختارهای لانهزنبوری
- سطوح نانو بافتدار
- متاساختارهای فوتونیکی
- پوششهای ضدبازتاب پیشرفته
در حال تبدیل شدن به یکی از مهمترین حوزههای تحقیقاتی صنعت خورشیدی هستند.
هدف نهایی این فناوریها آن است که بدون افزایش مصرف مواد یا پیچیدگی تولید، بیشترین میزان انرژی ممکن از نور خورشید استخراج شود.
پژوهش جدید درباره سلول خورشیدی تاندِم سیلیکون آمورف–سیلیکون کریستالی نشان میدهد که مهندسی ساختارهای میکروسکوپی همچنان میتواند نقش مهمی در توسعه فناوری فتوولتائیک ایفا کند. استفاده از ساختارهای لانهزنبوری برای بهبود جذب نور، رویکردی نوآورانه در مدیریت فوتونها محسوب میشود و میتواند راه را برای نسل جدیدی از سلولهای خورشیدی کمهزینه و پربازده هموار کند.
اگرچه این فناوری هنوز در مرحله تحقیقاتی قرار دارد، اما نتایج آن نشان میدهد که آینده صنعت خورشیدی تنها به مواد جدید وابسته نیست؛ بلکه طراحی هوشمندانه مسیر حرکت نور نیز میتواند نقش تعیینکنندهای در افزایش راندمان ایفا کند.
منابع: