طراحی سلول خورشیدی پربازده با کاربرد نانوساختارها

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری، در حال حاضر بهینه سازی مصرف انرژی در کشور از اهمیت زیادی برخوردار است که در این راستا توسعه انرژی های تجدیدپذیر مدنظر کشورهای مختلف قرار دارد تا با افزایش تحقیقات در این حوزه شاهد رشد سریع آن باشیم.

در این میان محققان بسیاری روی سلول های خورشیدی در حال تحقیق هستند تا با ارائه نوآوری راندمان این سلول ها را افزایش دهند. با توجه به اینکه سلول های خورشیدی توانایی جذب تمام نور فرودی بر سطح زمین را ندارند بنابراین باید راهکارهایی برای افزایش بیشتر جذب نوری آنها اندیشیده شود.

از جمله این راهکارها استفاده از موادی با توانایی جذب بالا به عنوان ماده فعال سلول و همچنین ساختارهای مختلف مبتنی بر نانوساختارها از جمله کریستال های فوتونی، ذرات پلاسمونی جهت افزایش جذب اشاره کرد.

بنابراین برای کاهش مصرف انرژی لازم است که تحقیقات موثر و هدفمندی در این زمینه انجام شود. با این هدف محققان دانشگاه شهید رجایی با پشتیبانی صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران معاونت علمی «طراحی و شبیه‌سازی سلول خورشیدی با بازده بالا مبتنی بر نانوساختارها» را انجام دادند.

در حال حاضر با وجود پیشرفت های قابل ملاحظه در سلول های خورشیدی لایه نازک هنوز این ساختارها به حد بازدهی سلول های خورشیدی سیلیکونی نرسیده اند.

بنابراین در این طرح تمرکز اصلی راه حل پیشنهادی برای افزایش بازدهی، بهبود جذب در سلول زیرین است. بدین صورت که اگر از لایه ای نازک به عنوان لایه فعال استفاده شود میزان زیادی از فوتون های با طول موج بلند بدون جذب از آن عبور کرده و از سلول خارج می شوند بنابراین باید روشی برای بهبود جذب در زیر سلول پایینی ارائه شود.

همچنین در صورت قرار گرفتن باندهای میانی داخل زیر سلول پائینی امکان جذب فوتون های با انرژی زیر شکاف باند افزایش یافته و امکان قرار دادن ماده ای با شکاف باند بالاتر از سیلیکن برای نزدیک شدن به زیرباندهای بهینه برای IBSC به وجود می آید.

در این ساختار اولا می توان ولتاژ مدار باز را در حالی که جریان به واسطه استفاده از باند میانی بهبود می یابد در مقدار بالایی حفظ کرد و بعد آنکه می توان با استفاده از دو زیر سلول، یک سلول با چهار شکاف باند ایجاد کرد.

برای حل مشکل جذب در این سلول ها نانو ساختارها پیشنهاد شده اند. قرار دادن نانوساختارها با الگوهای مشخص در لایه فعال سلول خورشیدی نور را در زوایای بزرگتری به داخل سلول پراکنده می کند. یکی از مزیت های استفاده از پلاسمون های سطحی توانایی آنها در تولید میدان الکترومغنتاطیسی قوی است که در فصل مشترک فلز و دی الکتریک به وجود می آید.

نانو ذارت فلزی تشدیدهای پلاسمون سطحی محلی را به وجود آورده و توانایی کنترل نور در مقیاس نانو را دارند.

سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، به هزینه بالایی برای تولید نیاز دارند و از موادی با ضخامت حدود ۲۰۰ میکرون برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته استفاده می‌کنند. بنابراین برای کاهش هزینه، سلول‌های خورشیدی لایه نازک با ضخامت ۱۰۰ تا ۳۰۰۰ نانومتر پیشنهاد شده‌اند.

در طی چند دهه گذشته، پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در مطالعه رفتار نور در مقیاس نانو به‌دست آمده است. این پیشرفت‌ها در تمام زمینه‌ها از جمله نانوساختارهای مبتنی بر فوتونیک و پلاسمونیک بوده است.

سلول‌های خورشیدی با ساختارهای لایه نازک تک‌پیوندی یا چندپیوندی بهبود قابل توجهی را در بازدهی سبب می‌شوند. در این طرح، از موادی با قابلیت جذب بالا در یک ساختار پشت‌سرهم یا چندپیوندی استفاده شده است. همچنین ساختارهای پلاسمونی جهت حبس نور در ساختار معرفی شده‌ و داخل سلول قرار می‌گیرند.

مسئله‌ دیگری که در این طرح مورد بررسی قرار گرفته استفاده از نانوساختارها در زیرسلول پائینی است. نانوساختارها به دلیل کوک‌پذیر بودن، طیف جذب پهن باندی را نتیجه می دهند و بنابراین با استفاده از آنها، امکان جذب فوتون‌های با طول موج بلند در زیرسلول پائینی افزایش می‌یابد.

از اهداف طرح می‌توان به طراحی ساختاری مناسب برای جذب قسمت اعظم نور فرودی بر سلول، استفاده از ماده‌ای مناسب در لایه فعال سلول، استفاده از نانوساختارهایی که نور فرودی بر سلول را در داخل ساختار حبس کنند تا زمانی‌که فرآیند جذب رخ دهد، اشاره کرد.