پانل های خورشیدی در سقف Walmart، Mountain View، کالیفرنیا.
والمارت / فلیکر, CC BY

تقاضای جهانی برای انرژی روز به روز افزایش می یابد، به عنوان کشورهای در حال توسعه به سمت صنعتی شدن. کارشناسان تخمین می زنند که تا سال 2050، تقاضای جهانی برای برق ممکن است به دست آید 30 teravatts (TW) برای چشم انداز، یک terawatt تقریبا برابر با قدرت میلیارد اسب 1.3 است.

انرژی از خورشید بی حد و حصر است - خورشید 120,000 TW را از هر لحاظ در اختیار ما قرار می دهد - و رایگان است. اما امروز انرژی خورشیدی فراهم می کند فقط یک درصد است از برق جهان. چالش مهم این است که آن را ارزان تر برای تبدیل انرژی عکس به انرژی الکتریکی قابل استفاده است.

برای انجام این کار، ما باید موادی را جذب کنیم که نور خورشید را جذب کرده و آن را به طور موثر برق تبدیل کند. علاوه بر این، ما می خواهیم این مواد به مقدار زیاد، محیط زیست خوش خیم و مقرون به صرفه برای ساخت به دستگاه های خورشیدی.

محققان در سرتاسر جهان در حال کار بر روی توسعه فن آوری های خورشیدی هستند که کارآمد و مقرون به صرفه هستند. هدف این است که هزینه نصب برق خورشیدی کمتر از US $ 1 در هر وات، در مقایسه با حدود $ 3 در هر وات امروز.

در دانشگاه Binghamton مرکز انرژی خورشیدی مستقل (CASP)ما در حال بررسی روش های ساخت سلول های خورشیدی نازک با استفاده از مواد مضر هستیم و غیر سمی است. ما می خواهیم سلول های خورشیدی را که قابل اعتماد هستند، بسیار کارآمد در تبدیل نور خورشید به برق و ارزان برای ساخت. ما دو ماده را شناسایی کرده ایم که پتانسیل بالایی برای جذب خورشید دارد: پیریت، که به دلیل بلندی فلزی آن به عنوان طلا احمق شناخته شده است؛ و مس-روی-قلع-سولفید (CZTS).

به دنبال مواد ایده آل است

سلول های خورشیدی تجاری امروز از یک نوع مواد تشکیل دهنده سیلیکون، تلورید کادمیوم (CdTe) و مس-اندیم گالیم سیلین (CIGS) ساخته شده اند. هر کدام دارای نقاط قوت و ضعف است.

سلول های خورشیدی سیلیکون بسیار کارآمد هستند، تبدیل به 25 درصد نور خورشید که بر روی آنها برق می گیرد و بسیار با دوام است. با این حال، سیلیکن را به وفل می پردازیم. و این ویفر ها باید بسیار ضخیم باشند (در حدود میلیمتر 0.3، که برای سلول های خورشیدی ضخیم است) برای جذب تمام نور خورشید که روی آنها قرار می گیرد، که هزینه های بیشتری را افزایش می دهد.

سلول های خورشیدی سیلیکون که اغلب به عنوان سلول های خورشیدی نسل اول نامیده می شوند، در پانل هایی استفاده می شود که در پشت بام ها آشنا شده اند. مرکز ما در حال مطالعه نوع دیگری از سلولهای خورشیدی نازک است که نسل بعدی فناوری خورشیدی هستند. همانطور که نام آنها نشان می دهد، سلول های خورشیدی از سلول های نازک با قرار دادن یک لایه نازکی از مواد جاذب خورشیدی بر روی یک بستر، مانند شیشه یا پلاستیک ساخته می شوند که معمولا می توانند انعطاف پذیر باشند.

این سلول های خورشیدی از مواد کمتر استفاده می کنند، بنابراین آنها ارزان تر از سلول های خورشیدی کریستالی ساخته شده از سیلیکون هستند. این امکان وجود ندارد که سیلیکون بلوری را روی یک بستر انعطاف پذیر پوشش دهیم، بنابراین ما نیاز به مواد مختلفی برای استفاده به عنوان یک جذب کننده خورشیدی داریم.

اگر چه تکنولوژی خورشیدی نازک به سرعت در حال پیشرفت است، برخی از مواد در سلول های خورشیدی نازک امروز، کمیاب یا خطرناک هستند. به عنوان مثال، کادمیم در CdTe برای همه موجودات زنده بسیار سمی است و شناخته شده است که باعث ایجاد سرطان در انسان می شود. CdTe می تواند در کادمیوم و تلوریم در دماهای بالا (به عنوان مثال در یک آزمایشگاه یا آتش سوزی) جداگانه قرار گیرد و خطر جدی استنشاق را ایجاد می کند.

ما با پیریت و CZTS کار می کنیم زیرا آنها غیر سمی هستند و بسیار ارزان هستند. هزینه CZTS در مورد 0.005 سنت در هر وات و هزینه های پیریت است سنت 0.000002 تنها در وات است. آنها همچنین از مواد فراوانی در پوسته زمین هستند و طیف قابل رویت نور خورشید را به طور موثر جذب می کنند. این فیلم ها می تواند به اندازه 1 / 1000th از یک میلی متر نازک باشد.

آزمایش سلول های خورشیدی CZTS تحت نور خورشید شبیه سازی شده.
تارا داکال / دانشگاه بینگتون، نویسنده ارائه شده استما باید این مواد را قبل از اینکه بتوانیم آنها را به سلولهای خورشیدی تبدیل کنیم، کریستالیزه می کنیم. این با حرارت دادن آنها انجام می شود. CZTS در دمای زیر درجه سانتیگراد 600 کریستال می شود، در مقایسه با 1,200 درجه سانتیگراد یا بالاتر برای سیلیکون، که باعث می شود پردازش آن کمتر گران باشد. این سلول های خورشیدی بسیار شبیه سلول های سرامیکی گالیم مولیبدن مس (CIGS) با کارایی بالا هستند که در حال حاضر در دسترس هستند اما جایگزین ایندیوم و گالیم در این سلول ها با قیمت های ارزان و فراوان روی و قلع می شود.

با این حال، سلول های خورشیدی CZTS نسبتا ناکارآمد هستند: آنها کمتر از 13 درصد از نور خورشید که بر آنها برق می رود، در مقایسه با 20 درصد برای گران تر CIGS سلول های خورشیدی.

ما می دانیم که سلول های خورشیدی CZTS دارای توان بالقوه برای 30 بهره وری هستند. چالش اصلی 1 است که سنتز فیلم نازک CZTS با کیفیت بالا بدون هیچ گونه ضایعات ناخالصی و 2) پیدا کردن یک ماده مناسب برای لایه "بافر" زیر آن است که کمک می کند تا بار الکتریکی که نور خورشید در لایه جذب ایجاد می کند را جمع آوری کند. آزمایشگاه ما یک فیلم نازک CZTS با هفت درصد بهره وری؛ ما امیدواریم به زودی با بهره برداری از لایه های CZTS با کیفیت بالا و پیدا کردن لایه های بافر مناسب، به مقیاس 15 رسیده باشیم.

ساختار یک سلول خورشیدی CZTS.
Tara Dakakal / Binghamton Univ.، نویسنده ارائه شده استپریت یکی دیگر از جذب کننده های بالقوه است که می تواند در دماهای بسیار پایین تولید شود. آزمایشگاه ما فیلم های نازک پیریت را تولید کرده است و در حال حاضر ما تلاش می کنیم که این فیلم ها را به سلول های خورشیدی لایه بندی کنیم. این روند چالش برانگیز است زیرا پریئت به راحتی تجزیه می شود وقتی که آن را در معرض گرما و رطوبت قرار می دهد. ما در حال تحقیق در مورد راه هایی برای ایجاد آن پایدار بدون تاثیر بر جذب خورشید و خواص مکانیکی آن است. اگر ما بتوانیم این مشکل را حل کنیم، «طلای احمق» میتواند به یک دستگاه فتوولتائیک هوشمند تبدیل شود.

محققان دانشگاه استنفورد و دانشگاه کالیفرنیا در برکلی در تحقیقی اخیر بر این باور بودند که انرژی خورشیدی می تواند فراهم کند تا 45 درصد برق ایالات متحده توسط 2050. برای رسیدن به این هدف، ما نیاز داریم که هزینه انرژی خورشیدی را کاهش دهیم و راه هایی را برای ایجاد سلول های خورشیدی پایدار تر پیدا کنیم. ما معتقدیم مواد فراوان و غیر سمی برای تحقق پتانسیل انرژی خورشیدی هستند.

درباره نویسنده

تارا داکال، استادیار مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه بینگموتون، دانشگاه ایالتی نیویورک. علاقه تحقیق او به انرژی تجدید پذیر است، به ویژه انرژی خورشیدی. هدف تحقیق او دستیابی به فن آوری سلول های خورشیدی است که از لحاظ زیست محیطی و اقتصادی مناسب است.

این مقاله در اصل در تاریخ منتشر شد گفتگو. دفعات بازدید: مقاله.

کتاب های مرتبط

at InnerSelf Market و آمازون