کاربرد فناوری نانو در سلول های خورشیدی

در چند دهه اخیر فناوری نانو نقش تعیین کننده‌ای در بهبود عملکرد سلول‌های سیلیکونی نسل اول و همچنین معرفی سلول‌های خورشیدی نسل‌های جدید بر پایه لایه‌های نازک و نانو ساختارها داشته است. طیف وسیعی از سلول‌های خورشیدی نانو ساختار تاکنون معرفی شده‌اند و گروه‌های تحقیقاتی بسیاری در سراسر دنیا در حال تحقیق و توسعه آنها هستند که از میان آنها می‌توان به سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، رنگدانه‌ای، نقاط کوانتومی، پلیمری، مس ایندیوم گالیوم سلناید(CIGS)، مس روی قلع گوگرد(SZTS)، کادمیوم تلوراید و گالیم آرسناید اشاره کرد. از عمده کاربردهای فناوری اصلی فناوری نانو در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی نیز پوشش‌های لایه نازک آنتی استاتیک، خودتمیزشونده و آبگریز بر پایه پلی وینیلیدن فلورید یا ارگانوسیلان‌ها هستند که به بهبود بازدهی از طریق کاهش آلودگی‌های سطحی کمک می‌کنند. با توجه به پیشرفت‌های حاصل شده در این حوزه به نظر می‌رسد که نمی‌توان آینده تولید انرژی الکتریکی ارزان قیمت از خورشید را بدون فناوری نانو تصور کرد.

 

1- انواع فناوری ساخت سلول‌های خورشیدی

امروزه بهره وری از انرژی دائمی، پاک و ارزان قیمت خورشید جهت راه اندازی تجهیزات در حوزه های صنعتی مختلف به طور جدی مورد توجه قرار گرفته است. انرژی نورانی خورشید می‌تواند مستقیما از طریق اثر فتوولتائیک یا به صورت غیر مستقیم توسط متمرکز کننده‌های توان خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل شود. فناوری‌های متنوعی در تبدیل انرژی این سیستم ها نقش بازی می‌کنند که عمدتا بر پایه مواد نیمه رسانا هستند. آزمایشگاه ملی تجدیدپذیر(NREL) به عنوان بزرگترین موسسه تحقیقاتی سلول‌های خورشیدی در جهان و مرجع اصلی تایید بازدهی سلول‌های خورشیدی در جهان و مرجع اصلی تایید بازدهی سلول‌های خورشیدی مونتاژ شده توسط گروه‌های تحقیقاتی، تاکنون 25 نوع سلول خورشیدی را رصد کرده است که بر اساس فناوری ساخت در 5 گروه چند اتصالی، گالیم آرسناید تک اتصالی، سیلیکون بلوری، فناوری‌های لایه نازک و فناوری‌های نوظهور در حال تحقیق و توسعه هستند(جدول1). صنعتی بودن این فناوری‌ها منوط به قابلیت تولید انبوه، عمر بالای ماژول و هزینه تمام شده است. بهترین بازدهی‌های به دست آمده مربوط فناوری‌های چنداتصالی، گالیم آرسناید تک اتصالی و سیلیکون‌های بلوری هستند که در حال حاضر بخش مهمی از بازار را در اختیار دارند، اما به طور کلی این فناوری‌ها بسیار گران قیمت و پیچیده هستند. به همین دلیل توجه بسیاری از پژوهشگران و صنعتگران به سمت فناوری‌های ارزان قیمت و ساده تر لایه‌ های نازک و همچنین فناوری‌های نوظهوری چون ساختارهای پروسکایتی جلب شده است.

2- نقش فناوری نانو در سلول‌های خورشیدی

1-2- سلول‌های خورشیدی نانوساختار

1-1-2- سلول‌های خورشیدی پروسکایتی

در بین سلول‌های خورشیدی نوظهور، سلول‌های پروسکایتی نرخ رشد بازده بیشتری نسبت به بقیه انواع داشته‌اند که با در نظر گرفتن امیدهای زیادی که برای تولید آسان و کم هزینه این سلولها وجود دارد، کاندیدای بسیار مناسبی برای تولید انرژی ارزان قیمت از نور خورشید هستند. لذا تحقیقات وسیعی همچنان بر روی سلول‌های خورشیدی نوظهور در حال انجام است. پروسکایت نام خانواده بزرگی از مواد شیمیایی با ترکیب عمومی ABX3 است. امروزه توجه بسیاری از محققین به تهیه ساختارهای پیچیده تر پروسکایتی مانند ترکیبات هالید آلی – معدنی جلب شده است که خواص فیزیکی، نوری و الکتریکی قابل توجهی دارند. این ترکیبات دارای ترکیب شیمیایی کلی ApbX3 هستند که در آنها X یون تک ظرفیتی مانند فلوئور،کلر، بروم و ید است. مرسوم ترین این ترکیبات به لحاظ تمرکز گروه های تحقیقاتی پیشرو، ساختار پروسکایتی هالیدی متیل آمونیوم سرب با ترکیب شیمیایی CH3NH3PbX3 است که به عنوان لایه جاذب نور با ضخامت 400 نانومتر در این دسته از سلول‌های خورشیدی به کار گرفته می‌شود. سایر اجزای سلول‌های خورشیدی پروسکایتی استاندارد مطابق شکل 1 به شرح زیر هستند:

 

1- شیشه پوشش داده شده با لایه ای از اکسید قلع آلایش شده با فلوئور (FTO) با ضخامت 700 نانومتر
2- لایه سد کننده از دی اکسید تیتانیوم(TiO2) با فاز کریستالی آناتاز به ضخامت 50 نانومتر که هدف اصلی از لایه نشانی آن ایجاد فاصله بین شیشه رسانا و لایه جاذب است.
3- لایه مزومتخلخل از ذرات 20 نانومتری دی اکسیدتیتانیوم به عنوان ماده انتقال دهنده الکترون که علاوه بر ایجاد سطح بالا برای افزایش انتقال الکترون از پروسکایت، همانند یک داربست برای پروسکایت عمل می‌کند. ZrO2,Al2O3,ZnO نیز می‌توانند به عنوان لایه مزومتخلخل استفاده شوند.
4- لایه انتقال دهنده حفره (HTM) به ضخامت 200 نانومتر است که معمولا ترکیب پلیمری Spiro-OMeTAD استفاده می‌شود.
5- الکترود پشتی (کاتد) از جنس طلا یا نقره به ضخامت 60 نانومتر تشکیل شده است که می‌تواند با ترکیبات دیگر همچون کربن جایگزین شود.

2-1-2- سلول خورشیدی رنگدانه‌ای (DSSC)

قلب سلول خورشیدی رنگدانه‌ای یک لایه مزومتخلخل از نانوذرات دی اکسید تیتانیم با میانگین اندازه ذرات 20 نانومتر است که روی شیشه حاوی لایه نازکی از اکسید قلع آلایش شده با فلورین (FTO) لایه نشانی می‌شود. ذرات رنگدانه (معمولا N-719) روی سطح این نانو ذرات قرار گرفته و وظیفه تزریق الکترون به سیستم را بر عهده دارند. در بین لایه مزومتخلخل و شیشه هادی، لایه نازکی به ضخامت 50 نانومتر از دی اکسید تیتانیوم تهیه می‌شود که به عنوان لایه سدکننده مانع بازگشت الکترون به شیشه هادی می‌شود. از شیشه FTO پوشش داده شده با پلاتین نیز به عنوان الکترود پشتی (کاتد) استفاده می‌شود. در بین دو الکترود آند و کاتد، الکترولیت محتوی زوج اکسنده-کاهنده I-/I-3 قرار می‌گیرد. شماتیک اجزای سازنده این دسته از سلول‌ها در شکل 2 نشان داده شده است. سلول خورشیدی رنگدانه‌ای به عنوان یک پیل الکتروشیمیایی از طریق مراحل زیر انرژی نورانی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند:
1- نور خورشید از طریق شیشه FTO وارد سلول شده وارد سلول شده و به رنگدانه‌های روی سطح تیتانیا برخورد می‌کند.
2- فوتون‌های ورودی جذب شده و رنگدانه را تهییج می‌کنند. الکترون‌ها به پایین‌ ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده رنگ (LUMO) منتقل و در بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده رنگ (HOMO) حفره ایجاد می‌شود.
3- الکترون‌ها به درون نوار هدایت TiO2 تزریق و به خاطر وجود شیب غلظت به سطح مشترک FTO/Tio2 نفوذ و توسط مدار خارجی به سمت کاتد حرکت می‌کنند.
4- از آنجا که مولکول‌های رنگدانه الکترون از دست داده‌اند، نیاز دارند که الکترون دیگری جذب کنند. پس الکترون مورد نیاز خود را از الکترولیت تامین می‌کنند. بدین ترتیب که کاتیون‌های رنگدانه تولید شده به وسیله I- احیا می‌شوند و یونهای I3- تشکیل می‌شوند و در نهایت الکترون‌های ایجادی به HOMO رنگدانه می‌روند.
5- یونهای I3- تولید شده به سمت کاتد رفته و در آنجا دوباره به I- تبدیل می‌شوند. برای تسریع این مرحله از پوشش پلاتین بر روی کاتد شمارنده استفاده می‌شود.

3-1-2- سلول خورشیدی نقاط کوانتومی

توانایی تزریق الکترون و قابلیت تنظیم شکاف انرژی، از جمله ویژگی‌هایی هستند که نقاط کوانتومی را برای استفاده در سلول‌های خورشیدی مناسب می‌سازند. اولین تلاشها برای استفاده از نقاط کوانتومی در سلول‌های خورشیدی مربوط به جایگزینی آن‌ها به جای رنگدانه در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بود (Quantum dot sensitized solar cells). امروزه ساختارهای مختلفی از سلول خورشیدی پیشنهاد شده استکه درآنها لایه های نازکی از انواع نقاط کوانتومی مانند سرب سولفاید، کادمیم سلناید و کادمیم تلوراید استفاده می‌شود که از میان آنها می‌توان به سلولهای خورشیدی شاتکی (Shottky)، چنداتصاله (Multi-junction)، پیوند ناهمگن توده ای (Balk-heterojunction) و ناهمگن تهی شده (Depleted heterojunction) اشاره کرد.

4-1-2- سلول خورشیدی پلیمری

مهمترین قابلیت سلولهای خورشیدی پلیمری آن است که می‌توانند روی زیرلایه‌های منعطف لایه نشانی شوند. اجزای اصلی این سلولها مطابق شکل 3 عبارت اند از:
1- زیرلایه منعطف که معمولا از جنس فویل پلی اتیلن تترافتالات (PET) انتخاب می‌شود.
2- لایه نازک اکسید قلع ایندیم (ITO) به ضخامت 150 نانومتر که نقش آند را بازی می‌کند.
3- لایه نازک PEDOT:PSS به ضخامت 40 نانومتر که به عنوان لایه مسدودکننده الکترون به انتقال حفرات به آند کمک می‌کند.
4- از P3HT و PBCM به ترتیب به عنوان ماده ماده پذیرنده حفره و الکترون و به صورت لایه نازک ترکیبی از P3HT:PBCM به ضخامت 200 نانومتر تهیه می‌شود.
5- الکترود پشتی از جنس آلومینیوم با ضخامت 80 نانومتر لایه نشانی می‌شود.

5-1-2- سلولهای خورشیدی مس ایندیوم گالیوم سلناید (CIGS)

مس ایندیوم گالیوم سلناید یک نیمه هادی نوع p است که به صورت لایه نازکی با ضخامت 2.5 میکرون به عنوان لایه جاذب نور در سلولهای خورشیدی به کار می‌رود. سایر لایه‌های ایجاد شده در این دسته از سلولها مطابق شکل 4 و به شرح زیر هستند:
1- مولیبدن به ضخامت 500 نانومتر که به روش اسپاترینگ روی شیشه لایه نشانی می‌شود.
2- نیمه هادی سولفید کادمیم از نوع n به ضخامت 40 نانومتر تهیه می‌شود که به عنوان لایه بافر نقش پنجره را در مقابل نور بازی می‌کند.
3- لایه نازکی از نیمه هادی ذاتی اکسید روی به ضخامت 50 نانومتر ایجاد می‌شود که از ایجاد آسیب به لایه‌های سولفید کادمیم و CIGS در حین فرآیند لایه نشانی الکترود پشتی ممانعت می‌کند.
4- لایه اکسید روی آلایش شده با آلومینیوم (AZO) به ضخامت 500 نانومتر که به عنوان الکترود پشتی لایه نشانی می‌شود.

6-1-2- سلول خورشیدی مس روی قلع گوگرد (SZTS)

مکانیزم عمل و شاکله کلی این سلول‌ها مشابه سلولهای CIGS است با این تفاوت که لایه مس روی قلع (SZTS) با فرمول شیمیایی Cu2ZnSnS4 جایگزین CIGS می‌شود. علت تمایل محققان به استفاده از این ترکیب آن است که علاوه بر آنکه این ترکیب سمیت کمتری نسبت به CIGS دارد، عناصر موجود در آن به وفور در طبیعت یافت می‌شوند.

7-1-2- سلول‌های خورشیدی کادمیم تلوراید (CdTe)

لایه جاذب این دسته از سلول‌های خورشیدی لایه‌ای با ضخامت 10 میکرون از کادمیوم تلورید به صورت نیمه هادی غیر ذاتی نوع p است. مطابق شکل 5 سایر لایه‌های به کار رفته در سلول‌های خورشیدی کادمیوم تلورید عبارت اند از:
1- شیشه رسانای هادی: معمولا از شیشه‌های حاوی لایه اکسید قلع ایندیم (ITO) به عنوان الکترود جلویی استفاده می‌شود.
2- نیمه هادی کادمیم سولفید (CdS) پلی کریستال نوع n با ضخامت 100 نانومتر که به عنوان لایه پنجره عمل می‌کند.
3- آلومینیوم یا طلا با ضخامت 50 نانومتر که به عنوان الکترود پشتی لایه نشانی می‌شود.

8-1-2- سلول خورشیدی گالیم آرسناید (GaAs)

این دسته از سلولهای خورشیدی کارآمد که به علت بالا بودن هزینه ساخت آن‌ها عمدتا در کاربردهای فضایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، بر پایه لایه‌های نازک تک کریستالی از نیمه‌ هادی‌های گالیم آرسناید نوع n و p تهیه می‌شوند. تاکنون ساختارهای بسیاری برای این سلول‌ها پیشنهاد شده است که در شکل 6 اجزای اصلی آن آورده شده است.

9-1-2- سلول خورشیدی سیلیکون آمورف

نقش فناوری نانو در سلول‌های خورشیدی سیلیکون آمورف (a-Si) ایجاد اتصال p-i-n از طریق لایه‌های نازک سیلیکون نوع n و p با ضخامت‌های کمتر از 20 نانومتر است. دیگر لایه‌های نازک به کار گرفته شده در این دسته از سلول‌های خورشیدی لایه سیلیکون ذاتی با ضخامت 300 نانومتر، لایه اکسید ایندیم قلع (ITO) با ضخامت 150 نانومتر، لایه اکسید روی آلایش شده با آلومینیوم (AZO) با ضخامت 200 نانومتر و الکترود نقره با ضخامت 300 نانومتر هستند (شکل 7). ضخامت نهایی پنل‌های مونتاژشده بر پایه این سلول‌ها می‌تواند تا 300 برابر نسبت به سلول‌های سیلیکونی بلوری کمتر باشد. برای تهیه لایه نازک سیلیکون آمورف معمولا از روش‌های تبخیری مانند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما (PECVD) استفاده می‌شود.

2-2- پوشش‌های بر پایه فناوری نانو

1-2-2- پوشش‌های آنتی استاتیک، خود تمیزشونده و آب گریز

کاربرد عمده فناوری نانو در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تجاری موجود در بازار مربوط به پوشش‌های لایه نازک آنتی استاتیک، خودتمیزشونده و آب گریز است. در شرایط کاری به علل مختلف مانند گرد و غبار، باران، مدفوع پرندگان و ترکیبات شیمیایی موجود درهوا (دی اکسید گوگرد، مونوکسی کربن، سرب و اکسید‌های نیتروژن) آلودگی‌هایی روی سطح سلول‌های خورشیدی ایجاد می‌شود که مانع از رسیدن کامل نور خورشید به لایه جاذب آن می‌شود. تنها 4 گرم خاک در هر یک متر مربع سلول خورشیدی می‌تواند بازدهی آن را در تبدیل انرژی نورانی به الکتریکی تا 40 درصد کاهش دهد. به علاوه در عمل، تمیزکردن سطح سلول‌ها با مشکلات متعددی توام است زیرا نیاز است تا به صورت هفتگی سطح ماژول‌ها با استفاده از مواد شوینده تمیز شود که هزینه بر و زمان بر است و نیاز به نیروی انسانی دارد. همچنین مواد شوینده می‌توانند به راحتی باعث خوردگی فریم سلول شده و به آن آسیب بزنند. به همین علت بسیاری از شرکت‌های تولیدی به سوی استفاده از محلول‌های حاوی نانو ذرات رفته‌اند که نه تنها ارزان هستند بلکه دوام خوبی نیز در شرایط عملی دارند. این محلول‌ها که به صورت لایه نازک با ضخامت زیر 100 نانومتر روی سطح قرار می‌گیرند، وظیفه حفاظت از سلول، افزایش عمر مفید و بهبود بازدهی آن را بر عهده دارند. استفاده از محلول سطح را از تمیز کردن بی نیاز نمی‌کند بلکه در عمل قابلیت زود تمیزشوندگی و آسان تمیزشوندگی به آن داده و بازه‌های زمانی نظافت را افزایش می‌دهند. از دیگر مزایای این محلول‌ها می‌توان به کاهش هزینه حفظ و نگهداری و افزایش مقاومت در برابر عوامل مهاجم خارجی مانند سایش و فرسایش اشاره کرد. پلی وینیلیدن فلورید (PVDF)، ارگانوسیلان‌ها و نیمه‌هادی‌هایی چون دی اکسید تیتانیوم بیشترین کاربرد را در این زمینه دارند.

2-2-2- پوشش‌های ضد انعکاس منیزیم فلورید

یکی از چالش‌های مهم در مسیر دست‌یابی به سلول‌های خورشیدی با بازدهی بالا ضریب انعکاس زیاد مواد سازنده آنها است که باعث اتلاف بخشی از توان ورودی می‌شود. این مشکل در سلول‌های سیلیکونی و CIGS خود را به خوبی نشان می‌دهد. برای رفع این مشکل از لایه‌های نازک ضد انعکاس (ARC) استفاده می‌شود. منیزیم فلورید (MgF2) یک ترکیب با ضریب انعکاس بسیار پایین است که در محدوده طول موج 120 نانومتر و با استفاده از روش‌های تبخیری روی سطح بالایی سلول خورشیدی قرار می‌گیرد. از دیگر مواد مورد استفاده در این خصوص می‌توان به دی اکسید تیتانیوم، سولفید روی و نیترید سیلیکون اشاره کرد.
اطلاعات بیشتر درباره سلول‌های خورشیدی نانوساختار در سایت شبکه انرژی خورشیدی نانو به نشانی https://solar.nanoindustry.ir منتشر شده است.