اثر نانو ساختارهای فلزی بر عملکرد راندمان صفحات خورشیدی

اثر نانو ساختارها ی فلز ی برعملکرد راندمان صفحات خورشیدی
- ناصر نیکخوی ۱ امیر حسین رفیعی۱– مرتضی رومی۲ -جواد اسدی۳
۱- دانشجوی کارشناسی مهندسی مواد متالورژی
۲- دانشجوی کارشناسی مهندسی عمران
۳-عضو هیأت علمی دانشگاه آزاد مشهد

چکیده
یکی از دلایلی که سبب شده تا امروز استفاده از انرژی خورشیدی امری فراگیر نباشد، نبود موادی با ضریب جذب کافی نور است. اکثر جذب کننده های نور در طول زمان کارایی خود را بتدریج از دست می دهند یا به دلایلی مثل افزایش دمای بیش از حد طراحی شده، غیرقابل استفاده می شوند. این موضوع باعث می شود استفاده از انرژی های پاک دیگر نظیر انرژی برق، آبی یا باد، مناسب تر جلوه کند. اما با پیشرفت در زمینه نانو مواد و استفاده از این تکنولوژی در تولید سلول های خورشیدی با ساختار نانو و شناخت نسل های مختلف سلولهای خورشیدی، مزایا، معایب و پتانسیل صرفه اقتصادی در این مقاله میپردازیم.

کلمات کلیدی : نانو و سلولهای خورشیدی –نانو ساختار- نسلهای سلول خورشیدی

مقدمه
بازده سلول های خورشیدی تجاری موجود، ۸ تا ۱۱ درصد در نوسان است و نمونه های تحقیقاتی در بهترین حالت، بازده ۵۱ درصدی دارند، در حالی که ۵۲ روز تابش خورشید، انرژی ای معادل تمام ذخایر نهفته نفت و گاز و ذغال سنگ کره زمین تولید می کند. تکامل رکورد بازده آزمایشگاه های مطرح و پیشرو در زمینه فناوری فتوولتائیک )PV( مدولهای بزرگ صنعتی که از هریک از این سلول های خورشیدی ساخته می شوند، بازدهی بین ۰۲-۱۲ آنچه در% آزمایشگاه بدست می آید. به عنوان مثال سیستم کریستالی فتوولتائیک بر پایه سیلیکون ۱۰-۱۱% بازده خواهد داشت اگرچه سلول های خورشیدی از این دست که در آزمایشگاه ساخته می شوند بازدهی باالی ۵۲ جمع % دارند. تا کنون گزارشها مقاالت مروری بسیار زیاد و با کیفیت برای بندی نتایج توسعه و با تحقیق در زمینه تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی نوشته شده است. این وجود مروری بر پیشرفت های اخیر، مشکالت و اینکه چگونه نانوفناوری می تواند در حل مشکالت موجود کمک کند، سود مند خواهد بود؟ پیدایش تولیدات نانوساختار دریچه های جدیدی را در علم مواد گشوده است. به علت اندازه این ذرات ۹ -۱۲ یا یک بیلیونیم است وچگونگی کارایی این مواد قوانین کوانتومی مورد اهمیت قرار میگیرد. هنگامیکه اندازه یا ابعاد ماده بطور پیوسته از ابعاد بزرگ به ابعاد خیلی کوچک تغییر کند در مرحله اول ویژگی ها تغییر نیمکند و سپس تغییرات کوچک شروع شده تا اینکه در نهایت اندازه به زیر ۱۲۲ نانومتر میرسد و پیوندهای ملکولی شکسته میشود و نیروهای الندن را میتوان برای حرکت دادن جابجایی ومنظم کردن اتمها مورد استفاده قرار داد. وبطور کلی به دسته ای از مواد که کمتر از ۱۲۲نانومتر دارند را نانو مواد گویند.در نانو مواد ممکن است ما اشیایی را کشف کنیم که یک بعد یا دو بعد یا حتی چهار بعد توصیف شوند.اختالف اصلی در بررسی مواد نانو تکنولوژیکی نسبت سطح به توده است که عبارتست از تعداد اتمهای مرزی سطح تقسیم بر تعداد کل اتمها که مواد با این خاصیت بینظیر هستند و باید در ساخت پیلها و صفحات مورد استفاده قرار گیرند. اگر در این مواد تنها در یک بعد به مقیاس نانو کاهش یابد در حالی که دو بعد دیگر همچنان بزرگ باقی بماند به ساختاری میرسیم که به در صورتیکه محبوس سازی در یک بعد انجام شده ذره در دو بعد دارای طیف پیوسته انرژی میباشد و در یک بعد بر روی ترازهای گسسته حرکت کند به این ساختار چاه کوانتومی گفته می شود.و اگر در دو بعد به مقیاس نانو کاهش یابد و بعد دیگر همچنان بزرگ باقی بماند ساختار حاصل سیم کوانتومی است. اگر به کوچک کردن اندازه ادامه دهیم که هر سه بعد به اندازه ی زیر نانومتر میرسد.که نقطه ی کوانتومی یا نانو ساختارهای صفر بعدی نامید. نقاط کوانتومی، نانو کریستالهای نیمه هادی با قطر تا ۱۲ ۵ نانومتر هستند که بعد از تحریک شدن، از خود نور ساطع می کنند و به طور معمول از ۵۲۲ تا ۱۲۲۲۲ اتم تشکیل شدهاند. ساختار کلی یک نقطهی کوانتومی، شامل هسته، پوسته و پوشش دهنده است.این ساختارهای صفر بعدی را میتوان بر مبنای مواد فلزی )طال نیکل پالتین کبالت( و مواد نیمه رسانا همچون کادمیوم)Cdse ( تلورید کادمیوم)Cdte( وسولفید کادمیوم)cds ( تقسیم بندی کرد. نقاط کوانتومی به ازای هر فوتون میتوانند به هنگام قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش، انرژی بیش از یک الکترون را تولید کند و این در حالی است که سلولهای خورشیدی سیلیکونی رایج، توانایی تولید یک الکترون را دارند. از آنجایی که این ذرات کوانتومی، بسیار کوچک هستند میتوان آنها را روی سطوح انعطافپذیر مختلف، نظیر پالستیکها اسپری کرد. درنتیجه از یک سو، تولید پیلهای خورشیدی با قیمت پایینتری سبت به پیلهای خورشیدی رایج انجام میشود و از سویی دیگر، نقاط کوانتومی بهشدت بههم فشرد شده و فاصله میان نقاط کوانتومی کاهش مییابد که این موضوع موجب افزایش بهره تبدیل انرژی و تولید جریان الکتریسیته میشود. وکاربرد وسیع نانو مواد که در بین ۱۲۹ عنصر شناخته شده هر کدام میتواند راه جدیدی را بدنیای انرژی خورشیدی و یا انرژیهای تجدید پذیر بگشاید.

معرفی نسل سوم سلول های خورشیدی
خورشید یکی از منابع تأمین انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست محیطی است که از دیرباز به روش های گوناگون مورد استفاده ی بشر قرار گرفته است. در سال های اخیر، استفاده از این منبع انرژی باعث به وجود آمدن کوره ها و سلول های خورشیدی مبدل انرژی شده است. سلول خورشیدی، وسیله ای است که انرژی خورشید را به وسیله ی اثر فوتوولتائیک )تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته( و بدون اتصال به منبع ولتاژ خارجی به برق تبدیل می کند. امروزه، بیشترین سلول های خورشیدی تجاری از سیلیکون بیش از ۸۸% ساخته شده اند، در حالی که استفاده از سیلیکون در دستگاه فوتوولتائیک ممکن است به دلیل قیمت باالی تولید محدود شود. به طور کلی، از ویژگی های سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ در مقایسه با سلول های خورشیدی معدنی می توان به هزینه ی پایین تولید، تنوع رنگ و شکل، انعطاف-پذیری و سبک وزنی اشاره کرد. این در حالی است که سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ نسبت به سلول های خورشیدی معدنی بازده پایین تری نشان می دهند که الزم است به طور قابل توجهی بهبود داده شود. سلول خورشیدی حساس شده با رنگ از دسته سلول های الیه نازک به شمار می آید و تنها نمونه ای از فناوری نسل سوم سلول های خورشیدی است که تاکنون به مرحله ی تجاری سازی رسیده است. پدیده ی فوتوولتائیک فقط با برخی از طول موج ها ایجاد می شود. این به آن دلیل است که بسته های نور یا فوتون هاباید یک حداقل انرژی برای برانگیختن الکترون های ماده داشته باشند. بخشی از فوتون ها که انرژی کافی برای برانگیختن الکترون در مولکول یا نیمه رسانا را نداشته باشند، توسط ماده فوتوولتاییک جذب نمی شوند. از سوی دیگر، اگر انرژی فوتون بیشتر از میزان انرژی الزم برای برانگیختن الکترون باشد، انرژی اضافی هدر می رود. این دو پدیده باعث می شود که ۰۲% از انرژی خورشید بدون مصرف باقی بماند . و ه مچنین نسل سوم سلولهای خورشیدی را نانو ساختار ها و قابلیت وسیع کاربرد انها در این زمینه با پروسه های خواص مربوط به هر کدام که در ادامه مقاله به ان میپردازیم.

مزایای مواد نانوساختار
در این بخش به ارتباط بین فتوولتائیک و مواد نانوساختار پرداخته می شود. ایده اصلی این است که در فصل مشترک دو نوع نیمه هادی با استفاده از جذب انرژی خورشیدی، الکترون- حفره ایجاد شود و با جدا کردن آنها جریان ایجاد کرد. انتخاب نیمه هادیهای مناسب طوریکه بیشترین الکترون- حفره را تولید کنند و بارها را بدون ترکیب مجدد به الکترود هدایت کنند چالش پیشروی سلول های خورشیدی است. مواد نانو ساختار همچون نانوذرات و نانوسیم ها خواص ممتازی دارند که در ادوات فتوولتائیک می توان از آنها بهره گرفت.

‏۱ -۱ سطح زیاد
اول اینکه سیستمهای نانو نسبت سطح به حجم بسیار زیادی را مهیا می کنند که آنها را قادر می سازد فصل مشترک بسیار بزرگی بین سه ماده در حجم بسیار کم ایجاد کنند. این مزیت یعنی افزایش چگالی فصل مشترک باعث افزایش سطح جاذب نور می شود و به نوبه خود کارایی را افزایش می دهد. توجه کنید که دراینجا اگر از فیلمی با ضخامت نانومتری استفاده کنیم به لحاظ سطح مشترک مزیتی نخواهد داشت لذا در ابتدای مبحث آنها را متمایز کردیم. سطح یا فصل مشترک بسیار زیادی که نانوساختارها مهیا می کنند عالوه بر جذب نور در جدایش بار الکترون-حفره نیز تاثیر بسزایی دارد.

۲ محدودیت کوانتمی
دومین مزیت مواد نانوساختار محدودیت کوانتمی است که خواص اپتیکی و الکترونیکی ممتازی در آنها پدید می آورد و با حالت بالک تفاوت زیادی دارد. در ادامه به مزایای نانومواد پرداخته می شود اما بطور خالصه در این دسته از مواد موانعی همچون محدودیت Shockley-Queisser مشکل ساز نخواهند بود.
استفاده از نانوساختارها به ما این امکان را می دهد تا خواص اپتیکی آنها را با کمک اندازه کنترل کرد. زمانی که الکترون- حفره در یک نانوذره محدود می شود آنها مقادیر انرژی دقیقی را می توانند اشغال کنند و فواصل بین انرژی ها تابعی از اندازه ذره خواهد بود. محدودیت کوانتمی در وهله اول کنترل جذب اپتیکی را از طریق اندازه ذره مقدور می سازد. بنابراین نانوذرات همچون یک رنگ عمل می کنند که جذب و رنگ آن بسته به تغییر اندازه تغییر خواهد کرد. این امری مفید است زیرا تابش خورشید متشکل از فوتونهایی با انرژی متفاوت است و امکان جذب بخشهای مختلف طیف خورشید را با ذراتی با اندازه متفاوت مقدور می سازد.

۱-۳تولید چند اکسایتون )MEG(
وقتی فوتونی با انرژی چند برابر گاف در یک نقطه کوانتمی جذب شود، انرژی اضافی به جای تولید حرارت چندین جفت الکترون- حفره تولید می کند. مثالً اگر انرژی فوتون ۱ برابر گاف انرژی باشد ۱ جذب جفت الکترون حفره ایجاد خواهد شد و تمامی انرژی شده جهت تولید پربازده جریان صرف می شود در یک نقطه کوانتمی الکترون و حفره به سوی یکدیگر جذب شده و پیوند برقرار می کنند که به این جفت الکترون- حفره اکسای شود. اثر تون گفته می MEG تنها در نقاط کوانتمی بصورت پر بازده رخ می دهد. اولین چیزی که می توان دریافت این است که MEG می تواند حد نهایی Shockley-Queisser را افزایش دهد و انرژی اضافی که در حالت قبل بصورت گرما تلف می شد به صورت افزایش جریان بدست آمده از سلول خورشیدی ظاهر خواهد شد. اثر MEG در سوسپانسیون کلوئیدی نقاط کوانتمی مشاهده شده اما هنوز هیچ گزارشی مبنی بر یافت آن در سلول های خورشیدی وجود ندارد.

۱-۲پتانسیل صرفه اقتصادی
تک سومین مزیت نانو مواد این است پتانسیل تولید ادوات فتوولتائیک ارزان قیمت را دارند یعنی در مقایسه با کریستال سیلیکون، روشهای امکان تولید نانوساختارها به روشهای تر و همچنین پوشش دادن صفحات بزرگ با جدید الیه نشانی و چاپ امکان پذیر است. سلول های خورشیدی الیه نازک برپایه سیلیکون، CdTe و CIGS به شیوه های گران قیمت الیه نشانی درخالء فلزات، نیمه هادیها و دی الکتریک و بصورت الیه به الیه نشانی می شوند. برای بعضی از مواد روشهای مشابهی از قبیل الیه نشانی الکتروشیمیایی یا حمام شیمیایی توسعه یافته تا جایگزین الیه نشانی خالء باشد. یک شیوه عملی که می تواند در آینده به ارزانی اجرا شود این است که زیر الیه را با نانوذرات نیمه هادی بپوشانیم و آنرا آنیل کنیم تا اینکه الیه نازکی با خواص مشابه الیه نازک حاصل از فناوری خالء حاصل شود. به این روش می توان با تکنیک های ارزان قیمت چاپ سلول خورشیدی را از محلول کلوئیدی نانوذرات روی زیر الیه چاپ کرد. تقریباً تمامی نانوذرات به شیوه شیمیایی تر ساخته می شوند که پتانسیل کاربرد در سلول های خورشیدی ارزان قیمت را .دارا هستند. انتظار می رود با چنین رویکردی هزینه های ساخت مدول الیه نازک با شیب سریعتری از کاهش یابد.

انواع نانومواد و تاثیرات
* نانو نیکل
این سلول های خورشیدی از یک الیه ۱۲۲ نانو متری نیکل که بر روی ویفردی اکسید سیلیکون می باشد متشکل شده است . با استفاده از یک سری تکنیک های خاص و استاندارد، فیلم نازک را بر روی نیکل قرار دادند. روش استفاده از این سلول ها هم به این صورت می باشد که این فیلم را در اب شناور کرده و سپس در محل مورد نظر می گذاریم حال با کمی حرارت و بعد از مدت کوتاهی این سلول از فیلم جدا شده و اماده استفاده می باشد . این سلولها می توانند بر روی اشکال منحنی بدون از دست دادن بازدهی گذاشته و استفاده شودند. این روش نسبت به روش قبلی که از شیشهای سفت و محکم و یا پنل های فتوولتائیک سنتی استفاده می کردند سبکتر و کم هزینه تر می باشد .این روش باعث تحول بزرگی در تولید و نحوه استفاده از سلول های خورشیدی در اینده خواهد شد.

* بانانوذرات طال
استفاده از نانو ذرات طال، راندمان سلول های خورشیدی را به اندازه ی ۲۰ درصد میتوان افزایش داد.
به گزارش گروه مواد پیشرفته ی هیتنا، محققان در آزمایشات، الیه ای از نانو ذرات طال را بین دو زیر الیه ی جاذب نور در سلول خورشیدی پلیمری آلی قرار دادند .که این باعث تاثیر پالسمونیک آن شده، به طوری که ذرات، میدان الکترومغناطیسی ای را ایجاد می کنند که به متمرکز کردن نور کمک می کند، بنابراین نورهای دریافتی، بوسیله ی زیر الیه ها جذب می شوند .تاثیر پالسمونیک، در میان محل اتصال الیه ها ، موجب ارتقای زیر الیه های باال و پایین می شود که این منجر به بهبود بازدهی تبدیل انرژی از سلول های خورشیدی از ۵٫۲۲درصد به ۶٫۲۴می شود .و همچنین کارآیی آن را به میزان ۲۰درصد افزایش می دهد.

* با نانو ذزات نقر ه
با استفاده از نانو ذرات نقره نتایج حاصله حاکی از آن بود که در پلیمرهایی که حاوی ذرات نقره نبودند حدود ۶٫۲میلی آمپر برسانتی مترمربع برق تولید شده بود درحالی که در نمونه های حاوی نانوذرات نقره این رقم حدود ۷میلی آمپر برسانتی مترمربع است .
به عقیده پروفسوربرگر این پژوهش فناوری استفاده ازسلولهای خورشیدی را یک گام به تجاری سازی نزدیک تر می سازد در حال حاضر جذب نور در سلولهای خورشیدی به اندازه کافی نیست .یکی از راه های افزایش بازده باالبردن محدوده طول موج جذبی در این پلیمرهاست دراین روش نانو ذرات نقره درون الیه نازکی ازپلیمر گنجانده می شوند این الیه نازک پلیمری هم مانع چسبیدن نانو ذرات می شود و هم منجربه تشکیل الگویی می شود که جذب نور خورشید را افزایش می دهد .باتغییر پوشش آلی به کاررفته در این سلولها فاصله میان ذرات واندازه ذرات تغییر می کند با ایجاد تغییراتی درالگوی موجود در پلیمر می توان جذب نور رادر طول موجهای مختلف افزایش داد که این کار به بهبود کارایی سلولهای خورشیدی کمک شایانی می نماید .درمجموع با این کار ۱۲درصد به میزان برق تولیدی افزوده می شود.

* نانو ساختار مس
استفاده از این ترکیب در کاتالیست واکنش های آلی، ابرخازن ها، سلول های خورشیدی و باطری های جامد بخش کوچکی از کاربردهای آن به حساب می آید .هدف از انجام این طرح را سنتز نانو ساختارهای اکسید روی با مورفولوژی تک بعدی برای بکارگیری در سلول های خورشیدی با بازده باال ذکر کرد : .دراین طرح تالش شده تا با کمک مهندسی مولکولی و استفاده از یک روش بسیار ساده و سریع به بهترین موفولوژی در محصوالت دست یافته و از این رهگذر سلول های خورشیدی با بازده باال تولید شود .

* نانوساختارهای اکسید روی
انوساختارهای اکسید روی در ساخت سلولهای خورشیدی رنگدانه دانشگاه ی پژوهشگران وسیله ای به جای نانوذرات اکسید روی بهتهران به کار گرفته شد .این نانوساختارها به دلیل داشتن تحرک باالتر، باعث افزایش بازده در سلولهای خورشیدی رنگدانهای بر پایه این نانوساختارها میشود.برای ساخت سلولهای خورشیدی رنگدانهای به طور معمول از نانوذرات اکسید تیتانیم استفاده میشود به دلیل اینکه گاف انرژی این ماده ۱/۱ ev است و بسیار مناسب برای ساخت سلول خورشیدی رنگدانهای است. زمانی که مولکول رنگ برانگیخته میشود، یک الکترون ایجاد میکند که این الکترون به داخل شبکهای از نانوذرات ۵TiO تزریق میشود. این الکترون در کل این الیه ۵TiOبا پریدن از یک ذره به ذره دیگر باید خود را به الکترود که همان الیه شفاف و رسانای اکسید قلع آالینده شده با قلع یا ایندیم است برساند و در آن جمع شود و جریان ایجاد کند ولیکن به دلیل حرکت الکترون در بین نانوذرات ممکن است در بین مسیر بازترکیب شود که این بازترکیب میتواند با خود رنگ، الکترولیت یا ۵TiO صورت بگیرد. زمانی که شبکهای از نانوذرات وجود دارد احتمال باز ترکیب الکترون بسیار زیاد است به همین دلیل برای اینکه افت بازده سلولهای خورشیدی رنگدانهای کمترشود از نانوسیمها به عنوان جایگزین مناسب برای نانوذرات استفاده شده است. در این نوع سلولهای خورشیدی امکان بازترکیب به دلیل حرکت الکترون از شبکه نانوذرات وجود ندارد زیرا الکترونهای ایجاد شده در یک مسیر مستقیم از نقطهای که تزریق میشود به الکترود میرسد. درک از انتقال الکترون و مکانیزم بازترکیب در سلولهای خورشیدی رنگدانهای برپایه نانوسیمها یکی از مراحل کلیدی در بهبود بازده سلولهای خورشیدی رنگدانهای است. در این بین اکسید روی به علت برخورداری از ویژگیهایی مانند انرژی بستگی اکسایتونی بزرگ )۸۲ev~( و گاف انرژی مشابه با ۵TiO، فراوانی ذخایر و سادگی فناوری رشد، که هزینه تولید قطعات ساخته شده از آن را کاهش میدهد، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

* نانو ذرات در اکسید تیتانیم
در این میان نانوکره های توخالی TiO2 جز موادی هستند که به دلیل ویژگی های منحصربه فردی که دارند به نوعی بازده سلول ها را افزایش می دهند.الکترود کار شامل نانوذرات TiO2 با ابعاد کمتر از nm۵۲ می باشد. این الیه معموالً شفاف بوده و به هنگام ورود نور به داخل آن ها، درصد بسیار زیادی از نور از دست می رود. بنابراین بهره گیری از یک الیه ی پراکننده ی نور بر روی این الیه ی شفاف تا حدود زیادی مدیرت نور در سلول را افزایش می دهد. این امر نیز باعث افزایش بازدهی این سول ها می گردد.نانوکره های توخالی TiO2 دارای این ویژگی هستند که به هنگام ورود نور مرئی به داخل این ساختار پدیده ی انعکاس کلی در درون آن رخ می دهد و دوباره این نور ورودی به داخل الیه بازتاب می شود. در واقع همانند آینه عمل می کند. بنابراین نور از دست رفته دوباره به داخل سلول منعکس می شود و بازده افزایش می یابد چون نور اتالفی حذف شده است.

نتیجه گیری
ذرات فلزی با خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی نه تنها از نظر علمی بلکه از نظر کاربردهای تکنیکی توجه زیادی از تحقیقات را به خود جلب نموده است. همچنین شیمیدانان الکتروشیمی توانستهاند با طراحی الکترودهایی براساس نانوذرات فلزی جدید به تهیه حسگرهای الکتروشیمیایی و دیگر حسگرها با کارایی، و کارایی باالی انها در صفحات خورشیدی و باال بردن راندمان استفده از انرژی خورشیدی حساسیت و گزینش پذیری باال دست پیدا کنند که منجر به موفقیت در روشهای نوینی شده است. از جمله کاربردهای مهم نانوذرات فلزی جدید می توان به نقش آنها در پیل های سوختی و حسگرهای مختلف در سال های اخیر و اینده ی روشن این دسته از عناصر جدول تناوبی روشنگرانه منتظر بود.

مراجع
www.nanoclub.ir
www.nano.org.uk
www.nano.gov

http://www.nanotech-now.com/

Geim, a K.; Novoselov, K. S., “The rise of graphene”, Nature Material, Vol.6, pp.183–۱۹۱, (۲۰۰۷).
Pumera, M.; Ambrosi, A.; Bonanni, A.; Chng, E. L. K.; Poh, H. L., “Graphene for Electrochemical Sensing and Bio
Sensing”, Trends in Analytical Chemistry, Vol.29, pp.954–۹۶۵, (۲۰۱۰).
Zoski, C. G. Handbook of Electrochemistry; First Edition.; Elsevier: Amsterdam, (2007