طراحی نوآورانه، کارایی سلول های خورشیدی سبک را برای فضا دو برابر می کند
محققان دانشگاه پنسیلوانیا طرح جدیدی را برای سلول‌های خورشیدی سبک وزن دوبعدی دی‌کالکوژنید فلزات واسطه (2D TMDC) پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند کارایی آنها را از 5 درصد به 12 درصد افزایش دهد. این سلول‌ها که به دلیل قدرت ویژه بالا برای کاربردهای فضایی ایده‌آل هستند، از طریق ساختار ابرشبکه‌ای تقویت می‌شوند و در نتیجه جذب خورشیدی را افزایش می‌دهند. گام بعدی توسعه روشی برای تولید در مقیاس بزرگ است.
وقتی نوبت به تامین انرژی برای اکتشافات فضایی و سکونت‌ها می‌رسد، سلول‌های خورشیدی که معمولاً از سیلیکون یا آرسنید گالیم ساخته شده‌اند، هنوز خیلی سنگین هستند که نمی‌توان آنها را با موشک حمل کرد. برای مقابله با این چالش، طیف گسترده‌ای از جایگزین‌های سبک وزن، از جمله سلول‌های خورشیدی ساخته شده از لایه نازکی از سلنید مولیبدن، که در دسته وسیع‌تر سلول‌های خورشیدی دی‌کالکوژنید فلزی انتقالی دوبعدی (2D TMDC) قرار میگیرند، مورد بررسی قرار گرفته‌اند. محققان با انتشار 6 ژوئن در شماره افتتاحیه مجله Device ، طراحی دستگاهی را پیشنهاد کردند که می تواند بازده دستگاه های TMDC 2 بعدی را از 5٪، همانطور که قبلاً نشان داده شد، به 12٪ برساند.
Deep نویسنده اصلی و عضو هیئت مشاوره Device می گوید: “من فکر می کنم مردم کم کم متوجه می شوند که TMDC های 2 بعدی مواد فتوولتائیک عالی هستند، البته نه برای کاربردهای زمینی، بلکه برای برنامه هایی که متحرک هستند – مانند برنامه های کاربردی مبتنی بر فضا، انعطاف پذیرتر هستند.” Jariwala از دانشگاه پنسیلوانیا. وزن سلول های خورشیدی 2 بعدی TMDC 100 برابر کمتر از سلول های خورشیدی سیلیکونی یا آرسنید گالیوم است، بنابراین ناگهان این سلول ها به یک فناوری بسیار جذاب تبدیل می شوند.
در حالی که سلول‌های خورشیدی دو بعدی TMDC به اندازه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی کارآمد نیستند، اما به ازای هر وزن، الکتریسیته بیشتری تولید می‌کنند، این ویژگی به عنوان «قدرت خاص» شناخته می‌شود. این به این دلیل است که لایه‌ای که فقط 3 تا 5 نانومتر ضخامت دارد یا بیش از هزار بار نازک‌تر از موی انسان است، مقداری از نور خورشید را جذب می‌کند که قابل مقایسه با سلول‌های خورشیدی موجود در بازار است. ضخامت بسیار زیاد آنها همان چیزی است که برچسب “2D” را به آنها می دهد – آنها “مسطح” در نظر گرفته می شوند زیرا فقط چند اتم ضخامت دارند.
Jariwala می گوید: «قدرت ویژه بالا در واقع یکی از بزرگترین اهداف هر فناوری برداشت نور مبتنی بر فضا یا برداشت انرژی است. این نه تنها برای ماهواره‌ها یا ایستگاه‌های فضایی مهم است، بلکه اگر می‌خواهید انرژی خورشیدی در مقیاس واقعی در فضا استفاده کنید.»
«تعداد سلول‌های خورشیدی که باید ارسال کنید آنقدر زیاد است که در حال حاضر هیچ وسیله‌ای فضایی نمی‌تواند آن نوع مواد را به روشی مقرون‌به‌صرفه به آنجا ببرد. بنابراین، واقعاً راه‌حل این است که سلول‌های وزن سبک‌تر را دو برابر کنید، که به شما قدرت بسیار بیشتری می‌دهد.»
پتانسیل کامل سلول های خورشیدی 2 بعدی TMDC هنوز به طور کامل شناسایی نشده است، بنابراین Jariwala و تیم او به دنبال افزایش کارایی سلول ها هستند. به طور معمول، عملکرد این نوع سلول های خورشیدی از طریق ساخت مجموعه ای از دستگاه های آزمایشی بهینه می شود، اما تیم Jariwala معتقد است که انجام این کار از طریق مدل سازی محاسباتی آن مهم است.
علاوه بر این، تیم فکر می‌کند که برای بالا بردن واقعی محدودیت‌های کارایی، ضروری است که یکی از ویژگی‌های تعیین‌کننده و چالش‌برانگیز دستگاه را به درستی در نظر بگیریم: اکسیتون‌ها.
اکسایتون‌ها زمانی تولید می‌شوند که سلول خورشیدی نور خورشید را جذب می‌کند و وجود غالب آنها دلیلی است که سلول خورشیدی دو بعدی TMDC چنین جذب خورشیدی بالایی دارد. الکتریسیته توسط سلول خورشیدی تولید می شود که اجزای بار مثبت و منفی یک اکسایتون به سمت الکترودهای جدا شوند.
با مدل‌سازی سلول‌های خورشیدی به این روش، تیم موفق شد طرحی با کارایی دو برابر در مقایسه با آنچه قبلاً به صورت تجربی نشان داده شده است، ابداع کند.
Jariwala می گوید: “بخش منحصر به فرد در مورد این دستگاه ساختار ابرشبکه آن است، که در اصل به این معنی است که لایه های متناوب TMDC 2 بعدی وجود دارد که توسط یک لایه فاصله دهنده یا غیر نیمه هادی از هم جدا شده اند.” فاصله بین لایه‌ها به شما این امکان را می‌دهد که نور را چندین و چند بار در ساختار سلول بتابانید، حتی زمانی که ساختار سلول بسیار نازک است.
ما انتظار نداشتیم سلول‌هایی که اینقدر نازک هستند 12 درصد را ببینند. با توجه به اینکه راندمان فعلی کمتر از 5 درصد است، امید من این است که در 4 تا 5 سال آینده افراد بتوانند سلول هایی با کارایی 10 درصد و بالاتر را نشان دهند.
Jariwala می گوید گام بعدی این است که در مورد چگونگی دستیابی به تولید بزرگ و در مقیاس ویفر برای طرح پیشنهادی فکر کنیم. «در حال حاضر، ما در حال مونتاژ این ابرشبکه‌ها با انتقال مواد منفرد بر روی هم مانند صفحات کاغذ هستیم. گویی آنها را از یک کتاب جدا می کنید، و سپس آنها را مانند دسته ای از یادداشت های چسبناک به هم می چسبانید. ما به راهی برای رشد مستقیم این مواد روی هم نیاز داریم.»
دیدگاهتان را بنویسید