اخبار تکنولوژی و علم قرن 21

پنج شنبه ۹۶/۰۹/۰۲

چاپ سلول های خورشیدی قابل انعطاف – 21tech.ir

21 century technology news

اخبار علم و تکنولوژی قرن 21
www.21tech.ir

چاپ سلول های خورشیدی قابل انعطاف

1999 نمایش

توجه روز افزون به دستگاه های فوتو وولتیک(photovoltaic یا به اختصار PV)، یی-بینگ چنگ و همکارانش را به ساخت سلول های خورشیدی منعطف تشویق کرد.

آینده صنعت انرژی خورشیدی به نوعی به ادغام تکنولوژی ها ی قدیمی و جدید در این حوزه بستگی دارد. اگر بتوان سلول های خورشیدی را  به شکل ورق هایی درآورد، مانند روزنامه ها و اسکناس، دیگر استفاده ی آنها بسیار فراگیر شده و در همه جا حاضر خواهند بود.

پنل های خورشیدی معمول، بزرگ و غیر قابل انعطاف هستند. اما در حال حاضر PVهای فیلمی شکل سبک و شفاف نیز ساخته شده اند. این پنل ها با استفاده از مواد اندک ساخته شده اند و حتی می توانند از نور داخل اتاق نیز تولید انرژی کنند. می توان با یکپارچه کردن این پنل ها با گوشی های موبایل، ساعت ها، دیوارها و پنجره ها صنعت تولید انرژی جهان را متحول کرد و آلودگی هوا و سرعت تغییرات آب و هوا را کاهش داد.

پنل های منعطف که تا به حال تولید شده اند دارای معایبی هستند، مانند: استفاده از مواد خطرناک در ساختار آنها (مانند فلزات سنگین)، استفاده از حلال های سمی در تولید آنها، تخریب پذیری سریع، بازدهی پایین. باید پرینترهایی که این سلول ها را چاپ می کنند، محاسباتی که برای ساخت آنها انجام می شود و مواد و قطعات الکترونیکی مورد نیاز آنها، به دقت نانومتری این چاپ را در سطح چندین متر مربع انجام دهند. به همین دلایل فعلا سلول های خورشیدی قابل چاپ برای تجاری شدن راه پر چالشی را باید طی کنند.

بسیاری از تحقیقات و توسعه های پنل های خورشیدی بر روی سیلیکون انجام شده که حدود ۹۰% از پنل های خورشیدی جهان را از آن می سازند، در حالیکه انرژی مصرف شده برای تولید این پنل بسیار زیاد بوده و در حدود ۱۰% از کل انرژی تولیدی این پنل ها در طول عمر آنها خواهد بود.

پنل های منعطف تا زمانی که ارزان تر و ایمن تر نشوند به صورت گسترده مورد استفاده قرار نخواهند گرفت. در این راه باید محققان و صاحبان صنایع با یکدیگر همکاری کنند تا بازدهی و اثرات زیست محیطی و پایداری این پنل ها را افزایش داده و تولید آنها را تا حد تجاری گسترش دهند.

تولید در مقیاس بزرگ و در حین حال ارزان قیمت، بزرگترین نیاز امروز صنعت انرژی خورشیدی است. انرژی تولید شده در PVها متناسب با سطح مورد تابش قرار گرفته ی آنها است. مصرف انرژی در دنیا هم اکنون در حدود ۲۰,۰۰۰تراوات-ساعت  (برابر با ۷۲ میلیون ترا ژول) در هر سال است. تولید این مقدار انرژی با راندمان کنونی دستگاه های PV نیاز به سطحی برابر با ۱۰۰,۰۰۰ کیلومتر مربع دارد که برابر با وسعت کشور ایسلند است.

توسعه زیادی در این صنعت نیاز است تا به این تولید دست پیدا کند. پنل های خورشیدی چاپ شده، از مواد مختلفی در لایه هایی از مواد شفاف(شیشه یا پلاستیک)، درست شده اند که هر قسمت وظیفه ای دارد، مواد نیمه رسانا و seneitizerها مسئولیت جذب نور مرئی را دارند و مواد دیگر بارهای الکتریکی را به الکترودها هدایت می کنند.

انواع مختلفی از پنل ها ی قابل چاپ تولید شده است. برخی با مواد ارگانیگ مانند پلی تیوفنس(polythiophenes)، برخی دیگر با رنگ های جاذب نور و سلول های با فناوری نقطه کوانتومی(quantum-dot) با استفاده از نانوذرات جاذب نور. و حتی نمونه های دیگری از نیمه رساناها با عناصر chalcogen (سولفور، سلنیم یا تلوریوم) و یا مواد ارگانیگ و غیر ارگانیگ دیگر با ساختاری شبیه پیرواسکیت ها(perovskite).

perovstikeها موادی معمولا شامل کلسیم تیتانید و یا کلسیم تیتانید اکسید هستند

perovstikeها موادی معمولا شامل کلسیم تیتانید و یا کلسیم تیتانید اکسید هستند

بهترین بازده مربوط به سلول های ساخته شده با پرواسکیت ها است. موفق ترین آنها، که تنها چند سال تحقیقات بر روی آن صورت گرفته، توانسته به راندمان ۲۲% برسد که رقم قابل توجهی در مبحث انرژی خورشیدی است. اما قسمت بد آن این است که این مواد در رطوبت و دمای بالا تجزیه می شوند.

چاپ کردن لایه ها باضخامت نانومتری تا میکرومتری بدون هیچگونه سوراخی در مقیاس چندین متر مربع، کار بسیار دشواریست.  در ساخت صفحات معمولی، مواد را به صورت خمیر آماده می کنند و لایه ها یکی پس از دیگری بر روی هم  می ریزند اما در ساخت پنل های معمولی ضخامت ها بسیار بیشتر است و همچنین  تغییر حالت مواد به حالت خمیری بر روی خواص فیزیکی و الکتریکی آنها اثر نامطلوب می گذارد.

تکنیک های آزمایشگاهی دیگری برای چاپ دستگاه های PV در مقیاس ۱۰ سانتیمتر مربع ابداع شده است. در این روش جوهر را از طریق شکاف های چاپگر (slot-die printing) بر روی سطح شفاف می ریزند و بعد مواد سازنده سلول را بر روی آن اسپری می کنند و بعد روی سیلندر دوم (gravure printing)، یک تیغه بر روی سطح کشیده می شود تا ضخامت را کنترل کند. هر کدام از این مراحل ضعف خود را دارد. در مرحله slot-die printing کنترل فضاهای خالی مشکل است و با افزایش این فضاهای خالی راندمان کاهش می یابد و در مرحله تماس تیغه و مواد چاپ شده(gravure printing)، امکان دارد تماس تیغه و مواد تازه چاپ شده به لایه های چاپ شده قبلی آسیب بزند. تمام این اثرات نهایتا باعث می شوند در عمل، سلول های چاپ شده نصف راندمان کلی یک سلول معمولی را داشته باشند.

شماتیک slot-die printing چاپ بدون تماس

شماتیک slot-die printing چاپ بدون تماس

چاپ سلول های فوتو وولتیک ارگانیک

چاپ سلول های فوتو وولتیک ارگانیک

برای یک چاپ خالی از سوراخ بر روی سطح به این روش، نیاز به دستگاه های بسیار دقیق و اندازه گیری با لیزر دارد و یا راه حل دیگر، پیدا کردن مواد جدیدی است که با همین روش های کنونی به خوبی چاپ شوند.

برای چاپ مواد ابتدا باید به صورت مایع، محلول یا خمیر در بیایند. که برای PVها معمولا محلول ها(پلیمر، جوهی و پیرواسکی) و یا پخش مواد نانوپارتیکل(مانند روش نقطه کوانتومی) مورد استفاده قرار می گیرد. اما بسیاری از مواد همراه، پس از روزها و هفته ها، در صورت عدم آب بندی صحیح، تجزیه می شوند و مواد مقاوم تری مانند سیلیکون چاپ مشکل تری دارند.

باید یک موازنه بین راندمان این سلول ها و میزان آسیبی که ساخت آنها به محیط زیست وارد می کند، انجام داد. نمی توان سلول های با راندمان بالا را به هر قیمتی تولید کرد. پر بازده ترین سلول شامل مواد سمی و یا مواد کمیاب هستند مانند: کادمیم، روثنیوم و قلع و همچنین حلال های سمی. ایندیم عنصر نایاب دیگری است که در ناحیه ی شفاف این سلول ها استفاده می شود و پیش بینی می شود که درخواست برای آن افزایش یابد.

ذخایر کم ایندیم و بهره وری کم بازیافت اندیم، می تواند باعث نایاب شدن این فلز تا پایان این قرن شود. محققان در حال امتحان مواد مختلفی در محلول ها هستند تا بتوانند سلول هایی با مواد سمی و دور ریختنی کمتری تولید کنند. به عنوان مثال الکترودهای پایه کربنی از مواد ارزان قیمت تری استفاده می کنند ولی بازده کمتری دارند.

موفقیت سلول های سیلیکونی باعث شده تا توجه به مواد دیگر و توسعه ی روش های جدید، کمتر جدی گرفته شود. اما همچنان تحقیقاتی در این زمینه در حال پیگیری است. اگر سلول های چاپ شده بتوانند ۵% از بازار سلول های خورشیدی را به دست آورند، آن زمان می توان مطمئن بود که ویژگی های آنها، باعث رشد روز افزونشان خواهد شد.


نوشتن یک نظر

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

عنوان منو