​

 سلول های خورشیدی آینده

​

انرژی خورشیدی انرژی است که از خورشید به انرژی حرارتی یا الکتریکی تبدیل می شود. انرژی خورشیدی یک منبع انرژی پاک، ارزان و قابل تجدید است که در همه جای دنیا در دسترس است. هر نقطه ای که خورشید به زمین برخورد کند، مکانی بالقوه برای تولید انرژی خورشیدی است. از آنجایی که انرژی خورشیدی از خورشید می آید، منبع بی نهایت انرژی را نشان می دهد.

انرژی خورشیدی به روش های مختلفی جذب می شود. متداول ترین روش استفاده از پنل های خورشیدی فتوولتائیک است. دستگاه های  فتوولتائیک PVبرق را مستقیماً از نور خورشید از طریق نیمه هادی ها تولید می کنند. هنگامی که سلول خورشیدی فتوولتائیک سیلیکونی تابش خورشید را جذب می کند، فوتون ها به مواد نیمه هادی روی صفحه خورشیدی برخورد کرده و یونیزه می شوند و باعث می شوند الکترون ها از پیوندهای اتمی خود جدا شوند. الکترون ها مجبور به جریان در یک جهت می شوند و جریان الکتریکی ایجاد می کنند. فقط مقداری از طیف نور جذب می شود، در حالی که سایر قسمت های طیف منعکس می شوند، بسیار ضعیف (مادون قرمز)، یا به جای الکتریسیته گرما ایجاد می کنند (فرابنفش).

دومین فناوری مورد استفاده در انرژی خورشیدی، انرژی متمرکز خورشیدی (CSP) است. نیروگاه های CSP از انرژی حرارتی خورشیدی برای تولید بخار استفاده می کنند که سپس از طریق یک توربین به برق تبدیل می شود.

در سال ۱۹۵۴، آزمایشگاه بل اولین دستگاه PV را برای تولید مقدار قابل استفاده برق معرفی کرد. در طول دهه ۱۹۷۰، به دلیل بحران انرژی، علاقه زیادی به استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید برق برای خانه ها و مشاغل وجود داشت. به دلیل قیمت های بسیار بالا، کاربرد در مقیاس بزرگ غیر عملی بود. خوشبختانه، قیمت دستگاه های PV به طور چشمگیری کاهش یافته است و بیش از ۵۹ درصد در دهه گذشته کاهش یافته است. علاوه بر این، می توانید پنل های خورشیدی خانه خود را تامین مالی کنید.

چرا انرژی خورشیدی؟ انرژی خورشیدی چندین مزیت بزرگ دارد، از جمله حذف قبوض برق و جلوگیری از تورم آب و برق. در  بسیاری از ایالت های آمریکا  مشوق های مالیاتی، تخفیف و اعتبار برای نصب پنل های انرژی خورشیدی ارائه می دهند. استفاده از انرژی خورشیدی همچنین از محیط زیست محافظت می کند، شغل ایجاد می کند و به کشورها کمک می کند که مستقل از انرژی باشند.

ظرفیت انرژی خورشیدی بر اساس کشور

استفاده جهانی از انرژی خورشیدی در کشورهای مختلف بسیار متفاوت است. اعداد زیر مربوط به ظرفیت فتوولتائیک خورشیدی است. تا سال ۲۰۱۹، چین با ۲۰۴۷۰۰ مگاوات (MW) بزرگترین ظرفیت انرژی خورشیدی در جهان را دارد که حدود ۳٫۹ درصد از کل انرژی مصرفی چین را تشکیل می دهد.

اتحادیه اروپا (EU) دارای ظرفیت انرژی خورشیدی ۱۳۱۷۰۰ مگاوات است که حدود ۴٫۹ درصد از کل انرژی مصرفی اتحادیه اروپا را تشکیل می دهد. ایالات متحده با ۷۵۹۰۰ مگاوات، که حدود ۲٫۸ درصد از کل انرژی مصرفی ایالات متحده را تشکیل می دهد، دومین کشور برتر کل ظرفیت فتوولتائیک خورشیدی است. ایالات متحده در حال حاضر ظرفیت انرژی خورشیدی کافی برای تامین انرژی ۱۱ میلیون خانوار در این کشور را دارد.

ژاپن سومین ظرفیت انرژی خورشیدی با ۶۳۰۰۰ مگاوات و آلمان با ۴۹۲۰۰ مگاوات پنجمین ظرفیت انرژی خورشیدی هستند. ظرفیت انرژی خورشیدی آلمان با ۸٫۶ درصد سومین درصد از کل مصرف انرژی برای هر کشور است. ژاپن با ۷٫۶ درصد نسبتاً بالا است. آلمان همچنین دارای بالاترین وات PV سرانه (۵۹۵) است.

هندوراس با ۱۴٫۸ درصد بالاترین سهم ظرفیت انرژی خورشیدی از کل مصرف را دارد و اسرائیل با ۸٫۷ درصد، درست بالاتر از آلمان، دومین سهم از ظرفیت انرژی خورشیدی است. کشورهایی که در سال گذشته بیشترین ظرفیت فتوولتائیک خورشیدی را اضافه کرده اند عبارتند از: چین (۳۰۱۰۰ مگاوات)، ایالات متحده (۱۳۳۰۰ مگاوات) و هند (۹۹۰۰ مگاوات).

علاوه بر ظرفیت PV، چندین کشور دارای ظرفیت متمرکز انرژی خورشیدی (CSP) هستند. اسپانیا با ۲۳۰۰ مگاوات بالاترین ظرفیت CSP را دارد و پس از آن ایالات متحده با ۱۷۳۸ مگاوات قرار دارد. کشورهای دیگر با ظرفیت کمتر CSP عبارتند از: هند، آفریقای جنوبی، مراکش، امارات متحده عربی، الجزایر، مصر، استرالیا، چین و تایلند.

در اینجا ۱۰ کشوری که بیشترین انرژی خورشیدی را تولید می کنند آورده شده است:

1. چین (۱۷۵,۰۱۸)
2. ایالات متحده (۶۲۲۰۰)
3. ژاپن (۵۵۵۰۰)
4. آلمان (۴۵۹۳۰)
5. هند (۲۶,۸۶۹)
6. ایتالیا (۲۰۱۲۰)
7. بریتانیا (۱۳,۱۰۸)
8. استرالیا (۱۱۳۰۰)
9. فرانسه (۹,۴۸۳)
10. کره جنوبی (۷۸۶۲)

سلول خورشیدی آینده

اگر جدیدترین فناوری‌های فتوولتائیک بتوانند با هم متحد شوند، نوید می‌دهند که انرژی خورشید را بسیار موثرتر از همیشه جذب کنند.

در اصل، سیل انرژی که از خورشید به ما سرازیر می شود می تواند نیازهای انرژی جهان را چندین برابر برآورده کند. در حال حاضر، در ایالات متحده، مجموع ظرفیت برق پانل های فتوولتائیک خورشیدی (PV) نصب شده حدود ۶۰ گیگاوات است، مقداری که انتظار می رود در ۵ سال آینده دو برابر شود، و چین تنها در سال ۲۰۱۷ ظرفیت PV خود را نزدیک به ۶۰ گیگاوات افزایش داد.

در همین حال، پیشرفت‌ها در فن‌آوری پانل‌های PV قیمت برق خورشیدی را کاهش داده است و هزینه آن را با سایر منابع برق در بسیاری از نقاط جهان رقابت می‌کند.

پنل‌های خورشیدی سیلیکونی ارزان‌تر و کارآمدتر شده‌اند، اما تعداد زیادی از مواد عجیب و غریب و ترفندهای نوری نوید می‌دهند که پتانسیل انرژی خورشیدی در سال‌های آینده بسیار بیشتر شود.

این شروع بدی نیست. اما برای استفاده کامل از این سیل انرژی و تأثیر واقعی بر انتشار کربن جهانی، PV خورشیدی باید به قلمرو ترا وات حرکت کند – و پانل‌های معمولی ممکن است برای رساندن ما به آن تلاش کنند. بیشتر پانل های PV به سلول های ساخته شده از کریستال های سیلیکونی نیمه هادی متکی هستند که معمولاً حدود ۱۵ تا ۱۹ درصد انرژی نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کنند . این کارایی نتیجه دهه‌ها تحقیق و توسعه است. پیشرفت های بیشتر به طور فزاینده ای دشوار است.

کمبود مواد، و همچنین اندازه و سرعت سرمایه گذاری لازم، می تواند تلاش ها برای افزایش تولید فناوری های موجود را متوقف کند. اگر ما در مورد توافقنامه آب و هوای پاریس جدی هستیم و می‌خواهیم ۳۰ درصد از برق جهان توسط PV خورشیدی در ۲۰ سال آینده تامین شود، باید ظرفیت تولید سیلیکون را تا ۵۰ برابر افزایش دهیم تا بسازیم. آلبرت پولمن، رهبر گروه مواد فوتونیک در مؤسسه تحقیقاتی AMOLF در آمستردام می‌گوید: « ممکن است این اتفاق بیفتد، اما به موازات آن باید در مورد راه‌هایی برای ساخت سلول‌های خورشیدی با سرمایه کمتر فکر کنیم.

مجموعه ای از فناوری های جدید با هدف مقابله با چالش ترا وات است. برخی از آن‌ها را می‌توان ارزان‌قیمت تولید کرد، شاید چاپ کرد یا حتی روی سطوح نقاشی کرد. برخی دیگر ممکن است تقریباً نامرئی باشند و به طور مرتب در دیوارها یا پنجره ها ادغام شوند. و ترکیبی از مواد جدید و جادوگری نوری می تواند تله های خورشیدی کارآمد قابل توجهی را به ما بدهد. به طرق مختلف، همه این فناوری‌ها نوید برداشت انرژی خورشیدی بسیار بیشتری را می‌دهند و به ما شانس بیشتری برای تغییر عرضه انرژی جهان در ۲ دهه آینده می‌دهند.

مزایای مادی

اکثر سلول های PV اساساً به یک روش کار می کنند. لایه‌ای از مواد نیمه‌رسانا فوتون‌های نور را جذب می‌کند و الکترون‌ها و حامل‌های بار مثبت به نام حفره‌ها را تولید می‌کند (جای خالی که یک الکترون معمولاً در آن قرار دارد). الکترون‌ها قبل از ترکیب مجدد با سوراخ‌های طرف دیگر سلول، سنکرون می‌شوند تا در اطراف مدار جریان پیدا کنند و کار مفیدی انجام دهند.

<< مواد آلی یک فرصت واقعی در ساخت سلول های خورشیدی یکپارچه دارند.>>

استیون فارست

یک لایه سیلیکونی باید حدود ۲۰۰ میکرومتر ضخامت داشته باشد تا نسبت خوبی از نوری را که به آن برخورد می کند جذب کند. اما مواد دیگر قوی‌تر جذب می‌شوند و لایه‌های جمع‌آوری کننده نور مؤثری را تشکیل می‌دهند که ضخامت آنها تنها چند میکرومتر است. این امر باعث می شود سلول های مبتنی بر این مواد به طور بالقوه ارزان تر و انرژی کمتری برای ساخت تولید شوند.

برخی از این فناوری های لایه نازک به خوبی تثبیت شده اند. تلورید کادمیوم (CdTe) و مس ایندیم گالیم سلنید (CIGS) حدود ۵ درصد از بازار جهانی PV امروزی را به خود اختصاص می دهند . پانل های CdTe تجاری اخیراً با کارایی و هزینه سیلیکون مطابقت دارند و هنوز جای بهبود وجود دارد. به عنوان مثال، رابط بین یک لایه CdTe و هادی فلزی زیر آن دارای نقص هایی است که می تواند به سوراخ ها و الکترون ها کمک کند تا دوباره ترکیب شوند و بنابراین از مشارکت آنها در جریان سلول جلوگیری می کند. مارکوس گلوکلر، دانشمند ارشد First Solar Inc. در Tempe، AZ، که بیشتر پانل های CdTe جهان را تولید می کند، می گوید فرصتی برای کاهش این منبع ناکارآمدی وجود دارد. اما CdTe و CIGS هر دو به عناصر کمیاب – تلوریوم و ایندیم – وابسته هستند و ممکن است استفاده از آنها در مقیاس ترا وات غیرممکن باشد .

بنابراین محققان در حال بررسی انبوهی از مواد دیگر هستند. مولکول‌های آلی مانند پلیمرها و رنگ‌ها که به صورت عمده از مواد ساده سنتز می‌شوند، می‌توانند لایه جذب کننده نور را در یک سلول PV تشکیل دهند. استفن فارست، سرپرست یک گروه تحقیقاتی الکترونیک نوری در دانشگاه میشیگان در آن آربور، می گوید: موادی که ما استفاده می کنیم، در اصل، بسیار ارزان هستند. با این حال، اگرچه مواد آلی به طور بالقوه ارزان هستند، هزینه سیلیکون نیز همچنان به کاهش خود ادامه می دهد. فارست پیشنهاد می کند که به جای تبدیل شدن به رقبای مستقیم با سیلیکون، مواد آلی جایگاه متفاوتی را پر خواهند کرد. او می گوید: آنها می توانند کارهایی را انجام دهند که سیلیکون نمی تواند.

برخلاف سیلیکون، سلول های آلی انعطاف پذیر هستند. بنابراین می‌توان آن‌ها را به راحتی روی پشت بام‌ها پهن کرد یا روی سطوح دیگر چسباند، بدون نیاز به صفحات شیشه‌ای سنگین. سلول های آلی همچنین می توانند طوری طراحی شوند که عمدتاً نور مادون قرمز را جذب کنند و نسبت به نور مرئی نسبتاً شفاف باقی بمانند، به این معنی که می توانند در پنجره ها ادغام شوند. برای مثال، گروه فارست سلول های PV آلی را با بازده ۷ درصد نشان داده است که به ۴۳ درصد نور مرئی اجازه عبور می دهد . ممکن است شبیه یک پنجره کم نور و تیره به نظر برسد، اما با پنجره های اداری استاندارد با پوشش ضد انعکاس قابل مقایسه است. مواد آلی شفاف همچنین می توانند از الکترودهای ساخته شده از گرافن – یک صفحه نازک، رسانا و شفاف از اتم های کربن – بازده را افزایش دهند. در سال ۲۰۱۶، محققان موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج، MA، موفق شدند یک الکترود گرافن را روی سلول های آزمایشی بچسبانند .

کارآمدترین سلول‌های PV آلی نسبت به اکسیداسیون حساس هستند و عمر نسبتاً کوتاهی به آنها می‌دهد. اما قرار دادن آنها در یک پانل پنجره دو جداره مهر و موم شده آنها را از آسیب رساندن به اکسیژن و آب محافظت می کند. فارست می‌گوید: «مواد آلی یک فرصت واقعی در ساخت سلول‌های خورشیدی یکپارچه دارند.

درایو کارایی

سلول های خورشیدی آلی ممکن است ارزان باشند، اما قیمت یک سلول تنها بخشی از معادله اقتصادی است. نتیجه واقعی هزینه  تراز شده برق (LCOE) نامیده می شود: هزینه آن به ازای هر کیلووات ساعت، در کل طول عمر یک نصب. این هزینه شامل تجهیزاتی مانند اینورترها می شود که جریان مستقیم ولتاژ پایین پانل را به جریان متناوب ولتاژ بالاتر تبدیل می کند. هزینه های دیگر شامل نصب و در نهایت بازیافت پانل ها می باشد. اگرچه پانل‌های فوق‌العاده ارزان یک مسیر را به LCOE پایین ارائه می‌دهند ، محققان همچنین در حال تلاش برای بهبود دو ورودی اقتصادی حیاتی دیگر هستند: طول عمر یک پانل و کارایی انرژی آن.

پروسکایت ها از امیدوارکننده ترین مواد PV جدید هستند. همه آنها ساختار کریستالی مشابهی با یک ماده معدنی اکسید تیتانیوم کلسیم دارند، پروسکایت اصلی که نام این خانواده از مواد را به خود اختصاص داده است. انواع مختلف یون یا مولکول می توانند هر یک از سه مکان در این ساختار را اشغال کنند، به این معنی که شیمی پروسکایت می تواند مجموعه ای از مواد مختلف را تولید کند. برخی از اینها، مانند هالیدهای سرب متیل آمونیوم، سلولهای لایه نازک موثری را تشکیل می دهند که بازده آنها تا حدود ۲۳٪ ثبت شده است .

سلول های پروسکایت پس از تقریباً یک دهه تحقیق به این خروجی چشمگیر رسیده اند. فرانسیسکو گارسیا د آرکوئر از دانشگاه تورنتو در انتاریو، کانادا می‌گوید: «کارایی آن‌ها به سرعت در حال رشد هستند، به نحوی که هیچ‌کس انتظارش را نداشت. یکی از دلایل کارایی بالای آنها این است که پروسکایت ها تمایل به داشتن چگالی کم نقص در ساختار کریستالی خود دارند و اطمینان می دهند که تعداد نسبتاً کمی الکترون ها و حفره ها در اثر نوترکیبی زودرس از بین می روند. یک مطالعه اخیر نشان می دهد که شبکه نسبتا انعطاف پذیر در حذف انرژی گرمایی از الکترون های حامل بار بی اثر است، که می تواند به توضیح بازده بالای پروسکایت کمک کند و نویدبخش بهبودهای بیشتر باشد . علاوه بر این، تمام مواد موجود در پروسکایت ها فراوان هستند و روش های مبتنی بر محلول مورد استفاده برای ساخت آنها به طور بالقوه ارزان تر از پردازش در دمای بالا مورد نیاز برای سلول های سیلیکونی است.

اما پروسکایت ها یک یا دو پاشنه آشیل دارند. آنها معمولاً شامل سرب هستند، یک عنصر سمی که ممکن است مانع تجاری‌سازی آنها شود، بنابراین چندین تیم به دنبال جایگزین‌های غیرسمی مانند قلع هستند . پروسکایت ها نیز مستعد تخریب هستند، به خصوص در حضور رطوبت، که طول عمر کوتاه و در نتیجه LCOE ضعیفی به آنها می دهد. کپسوله کردن آنها در پلاستیک کمک می کند اما هزینه را افزایش می دهد. در موسسه فناوری فدرال سوئیس در لوزان سوئیس، تیمی به رهبری جولیا گرانچینی راه دیگری برای حل این مشکل پیدا کرده اند که شامل افزودن یک لایه سطحی اضافی از پروسکایت به سلول است. این ماده از همان مواد تشکیل دهنده پروسکایت PV در زیر استفاده می کند، اما ساختار متفاوتی دارد که در برابر رطوبت مقاوم تر است. این سلول را مهر و موم می کند و از آن محافظت می کند، که در بیش از ۱۰۰۰۰ ساعت کارکرد هیچ افتی در عملکرد نشان نمی دهد و باید گزینه ارزان تری نسبت به کپسولاسیون پلاستیکی باشد .

گروه با هم

با وجود افزایش بازده پروسکایت ها و سایر مواد PV جدید، همه آنها با محدودیت اساسی در عملکرد خود مواجه هستند. این توسط شکاف باند مشخصه آنها تنظیم می شود – انرژی مورد نیاز برای آزاد کردن یک الکترون محدود تا تبدیل به حامل بار شود. در سیلیکون، این شکاف ۱٫۱ الکترون ولت است. فوتون هایی با انرژی کمتر از آن نمی توانند حامل بار تولید کنند، بنابراین هدر می روند. فوتون هایی با انرژی بیش از آن می توانند حامل هایی تولید کنند، اما هر انرژی بالاتر از ۱٫۱ الکترون ولت به عنوان گرما از دست می رود. با توجه به طیف نور خورشید که به سطح زمین می رسد، می توان محاسبه کرد که چه نسبتی از انرژی خورشیدی احتمالاً می تواند توسط یک ماده جذب شود که به عنوان حد کارایی شاکلی-کویسر شناخته می شود. برای یک باند گپ ۱٫۱ الکترون ولت، حد حدود ۳۲٪ است. گپ باند ایده آل ۱٫۳۴ الکترون ولت فقط کمی بهتر است، با محدودیت ۳۳٫۷٪. در عمل، بازده سلول به دلیل ترکیب مجدد حامل های بار، مقاومت داخلی، انعکاس از روی سلول و سایر اثرات کاهش می یابد.

امروزه میتوانید از محافظ های برق سگال

 برای محافظت و امنیت لباس شویی های خود استفاده نمایید

با دیدن از صفحه ی سایت ما 

از تنوع و کیفیت محصولات سگال بهره مند شوید.

عمر لباس شویی خود را با محافظ برق سگال بیشتر کنید

کلیک کنید​

​

فروشگاه اینترنتی پروسه

منبع: poro3_ir.rozblog.com