در سال‌های اخیر، با افزایش نگرانی‌ها درباره تغییرات اقلیمی و کاهش منابع انرژی فسیلی، توجه جهانی به انرژی‌های تجدیدپذیر به‌طور چشمگیری افزایش یافته است. در میان این منابع، انرژی خورشیدی به دلیل فراوانی، دسترسی آسان و پتانسیل بالای تولید برق پاک، جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است. سلول‌های خورشیدی به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین فناوری‌های تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، نقشی کلیدی در این تحول ایفا می‌کنند. با این حال، بهینه‌سازی عملکرد سلول‌های خورشیدی و افزایش بازده آنها همواره یکی از چالش‌های مهم در مسیر توسعه این فناوری بوده است.
پیشرفت‌های علمی و فنی در حوزه مواد، طراحی‌های مهندسی و فناوری‌های نوین، گام‌های موثری در بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی برداشته‌اند. پژوهشگران همواره در تلاش‌اند تا با استفاده از مواد جدید، طراحی‌های کارآمدتر و راهکارهای فناورانه، بازده سلول‌های خورشیدی را افزایش دهند و هزینه‌های تولید آنها را کاهش دهند. علاوه بر این، توسعه راهکارهای نوین برای افزایش بهره‌وری این فناوری در شرایط محیطی نامطلوب، ادغام آن با سیستم‌های دیگر و کاهش اثرات زیست‌محیطی، از موضوعات مهم و مورد توجه در این حوزه است.
همزمان با رشد فناوری‌های مرتبط با انرژی خورشیدی، ادغام این فناوری در حوزه‌های مختلف نیز در حال گسترش است. از ساختمان‌های هوشمند گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه‌های قابل حمل، سلول‌های خورشیدی به‌عنوان منبعی پایدار و پاک در حال نقش‌آفرینی هستند. این روند نشان‌دهنده ظرفیت بالای انرژی خورشیدی در تأمین بخشی از نیازهای روزافزون انرژی جهان است.
با وجود پیشرفت‌های فراوان، هنوز چالش‌هایی در مسیر توسعه این فناوری وجود دارد. محققان در تلاش‌اند تا با یافتن راه‌حل‌های نوآورانه، محدودیت‌های موجود را برطرف کرده و زمینه‌ساز استفاده گسترده‌تر از انرژی خورشیدی در آینده‌ای پایدار شوند.
رضا کشاورزی، عضو هیئت علمی گروه شیمی معدنی دانشگاه اصفهان که از پژوهشگران طراحی سلول‌های خورشیدی فوتوولتائیک پروسکایتی با همکاری پژوهشگران دانشگاه کالج لندن و آکادمی علوم چین در سال‌های اخیر است، می‌گوید: فناوری سلول‌های خورشیدی بر پایه بهره‌گیری از مواد مختلفی استوار است که هر یک ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند و بر بازده و عملکرد کلی این سلول‌ها تأثیر می‌گذارند. در حال حاضر، سه نوع اصلی از سلول‌های خورشیدی شامل سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، سلول‌های خورشیدی لایه نازک کادمیوم تلوراید و سلول‌های خورشیدی پروسکایتی بیش‌ترین توجه را به خود جلب کرده‌اند.
وی می‌افزاید: سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع در بازار امروز، از سیلیکون تک‌کریستال به‌عنوان ماده اصلی بهره می‌برند. ساختار منظم کریستالی این ماده باعث می‌شود تا الکترون‌ها مسیر مشخصی برای حرکت داشته باشند و در نتیجه بازده تبدیل انرژی افزایش یابد. در مقابل، سلول‌های خورشیدی لایه نازک که عمدتاً از کادمیوم تلوراید تشکیل شده‌اند، به دلیل امکان تولید در قالب‌های انعطاف‌پذیر و هزینه ساخت کمتر، مورد توجه قرار گرفته‌اند. این سلول‌ها قابلیت استفاده در کاربردهای متنوعی را دارند که در آنها انعطاف‌پذیری و سبکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
بازدهی ۳۰ درصد سلول‌های خورشیدی ترکیبی
عضو هیئت علمی گروه شیمی معدنی دانشگاه اصفهان با بیان اینکه از سوی دیگر، سلول‌های خورشیدی پروسکایتی که در سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته‌اند، به دلیل توانایی فوق‌العاده در جذب نور، به گزینه‌ای نویدبخش برای آینده تبدیل شده‌اند، ادامه می‌دهد: این سلول‌ها قادرند بخش وسیعی از طیف نوری خورشید را جذب کرده و بازده بالاتری را نسبت به بسیاری از فناوری‌های موجود ارائه دهند. به‌تازگی ترکیب سلول‌های خورشیدی سیلیکونی و پروسکایتی نیز مورد توجه قرار گرفته است. این سلول‌های ترکیبی که بازدهی بیش از ۳۰ درصد دارند، نشان‌دهنده گامی بزرگ در افزایش کارایی فناوری‌های خورشیدی هستند.
کشاورزی با اشاره به اینکه افزون بر نوع مواد مورد استفاده، بهره‌گیری از لایه‌های ضد بازتاب نیز نقش مهمی در افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی ایفا می‌کند، بیان می‌کند: این لایه‌ها با کاهش انعکاس نور و هدایت بیشتر آن به داخل سلول، بهره‌وری نوری را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند. از جمله مهم‌ترین مواد مورد استفاده در این لایه‌ها می‌توان به سیلیکا، سیلیکون‌نیترید و منیزیم‌فلوراید اشاره کرد که همگی به‌صورت پوشش‌هایی نازک بر سطح بیرونی پنل‌های خورشیدی اعمال می‌شوند. عملکرد این لایه‌ها به گونه‌ای است که مانع از بازتاب بخش قابل توجهی از نور خورشید شده و در نتیجه، میزان نوری که توسط سلول جذب و به الکتریسیته تبدیل می‌شود، افزایش می‌یابد. بدین ترتیب، پیشرفت در حوزه مواد و طراحی سلول‌های خورشیدی، گامی اساسی در مسیر افزایش بازدهی و بهینه‌سازی عملکرد این فناوری محسوب می‌شود. انتخاب مواد مناسب و استفاده از تکنیک‌های پیشرفته در کاهش تلفات نوری و الکترونی، به‌طور مستقیم بر بهره‌وری و کارآمدی این سلول‌ها تأثیر گذاشته و آینده‌ای روشن‌تر برای انرژی خورشیدی رقم خواهد زد.
وی اظهار می‌کند: طراحی مهندسی پنل‌های خورشیدی می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر جذب بیشتر نور خورشید داشته باشد. یکی از مهم‌ترین عوامل، بهینه‌سازی زاویه و موقعیت پنل‌های خورشیدی است. قرار دادن پنل‌ها رو به جنوب و تنظیم زاویه مناسب آنها برای برخورد مستقیم نور خورشید، می‌تواند کارایی سیستم را به‌طور چشمگیری افزایش دهد، همچنین در نظر گرفتن راهکارهایی برای نگهداری و تمیز کردن منظم پنل‌ها در طراحی اولیه، می‌تواند به حفظ کارایی بالای سیستم در طول زمان کمک کند. این عوامل در کنار انتخاب مواد و تکنولوژی‌های مناسب در ساخت پنل‌ها مانند استفاده از پوشش‌های ضدبازتاب و بلورهای فوتونی، می‌توانند به‌طور قابل توجهی جذب نور خورشید و در نتیجه تولید انرژی را افزایش دهند.
دکترای شیمی معدنی می‌گوید: فناوری نانو در سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل توجهی در بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی ایجاد کرده و استفاده از نانوذرات مانند نقاط کوانتومی و نانوذرات طلا و نقره باعث افزایش جذب نور خورشید شده، همچنین توسعه نانوپوشش‌های خودتمیزشونده و ضد انعکاس به افزایش تولید انرژی کمک کرده است. پیشرفت‌های دیگر شامل ساخت سلول‌های خورشیدی کاملاً شفاف است. در هر حال، این پیشرفت‌ها منجر به معرفی نسل جدیدی از سلول‌های خورشیدی مبتنی‌بر نانوساختارها شده که شامل انواع پروسکایتی، رنگدانه‌ای، نقاط کوانتومی و پلیمری می‌شود.
کشاورزی درباره اینکه یکپارچه‌سازی سلول‌های خورشیدی با مصالح ساختمانی (مانند شیشه‌های هوشمند یا نمای ساختمان‌ها) امکان‌پذیر است یا خیر می‌افزاید: این امکان وجود دارد و این فناوری در حال پیشرفت است که با عنوان BIPV شناخته می شود.
وی با بیان اینکه BIPV (Building-Integrated Photovoltaics) فناوری یکپارچه‌سازی سلول‌های خورشیدی با عناصر معماری ساختمان مانند پنجره‌ها، درب‌ها، سقف‌ها و دیوارهاست، ادامه می‌دهد: این سیستم علاوه بر تولید برق، وظایف پوششی ساختمان مانند محافظت در برابر آب و هوا، عایق حرارتی و صوتی را نیز انجام و به‌عنوان بخشی از ساختار خارجی ساختمان، زیبایی آن را نیز افزایش می‌دهد.
عضو هیئت علمی دانشکده شیمی دانشگاه اصفهان اضافه می‌کند: روش‌های نوین برای افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی در شرایط کم‌نور شامل توسعه سلول‌های پروسکایتی با قابلیت جذب نور بالا و ترکیب آنها با سلول‌های سیلیکونی است که بازدهی را تا بیش از ۳۰ درصد افزایش می‌دهند.
کشاورزی می‌گوید: سلول‌های خورشیدی در حال پیشرفت قابل توجهی برای تولید انرژی در وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه‌های قابل حمل هستند. در مورد خودروهای برقی، شرکت‌هایی مانند تویوتا و بی‌ام‌دبلیو در حال آزمایش نسل جدیدی از سلول‌های خورشیدی هستند که می‌توانند انرژی خورشیدی را با بازدهی بالا به برق تبدیل کنند. تویوتا در نسخه‌های جدید از یک سلول خورشیدی نواری استفاده می‌کند که می‌تواند روی سطح خودرو کشیده شود تا بهره‌وری سیستم ارتقا یابد. این نوار نازک می‌تواند روی انحناهای خودرو در سقف، کاپوت و درب صندوق عقب به راحتی بنشیند. به‌طور کلی، استفاده از سلول‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر امکان نصب آنها را روی سطوح منحنی خودرو مثل سقف و کاپوت فراهم می‌کند. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی و لایه نازک بر پایه کادمیوم‌تلوراید به دلیل قابلیت لایه نشانی روی سطوح انعطاف پذیر می توانند این نقش را ایفا کنند.
تا سال ۲۰۵۰ چندین تن پنل خورشیدی به پایان عمر خود می‌رسند
وی با توجه به اینکه تولید صنعتی سلول‌های خورشیدی با بازده بالا و هزینه پایین نیازمند ترکیب فناوری‌های پیشرفته(مانند ترکیب سلول‌های خورشیدی پروسکایتی و سیلیکونی)، بهینه‌سازی فرایندها و تولید انبوه است، می‌گوید: تولید در مقیاس انبوه با استفاده از خطوط تمام‌اتوماتیک(کاهش ۴۰٪ هزینه‌های تولید) برای کاهش خطای انسانی و افزایش سرعت، نقش کلیدی دارد، همچنین بهینه‌سازی زنجیره تأمین مواد اولیه(مانند خرید عمده و در دسترس بودن) هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. کنترل کیفیت چندمرحله‌ای شامل تست‌های عملکردی و پایداری سنجی تحت شرایط مختلف جوی نیز برای حفظ استانداردهای بازده ضروری است.
این استاد دانشگاه اظهار می‌کند: با توجه به اینکه تا سال ۲۰۵۰، چندین میلیون تن پنل خورشیدی به پایان عمر خود خواهند رسید، برنامه‌ریزی برای بازیافت این پنل‌ها به یکی از دغدغه‌های مهم فعالان محیط زیست تبدیل شده است. روش‌های بازیافت شامل جداسازی قطعات مختلف پنل‌ها مانند قاب آلومینیومی، شیشه و ماژول‌های سیلیکونی است. برای ماژول‌های سیلیکونی، از روش آسیاب کردن و جداسازی مواد استفاده می‌شود که حدود ۸۰ درصد قطعات را قابل بازیافت می‌کند. برای ماژول‌های غیر سیلیکونی، از محلول‌های شیمیایی برای جداسازی مواد نیمه‌رسانا می‌توان استفاده کرد. این اقدامات به حفظ محیط زیست و استفاده مجدد از مواد ارزشمند کمک می‌کند.
کشاورزی بیان می‌کند: سلول‌های خورشیدی ارگانیک(OPV) و پروسکایتی به دلیل ویژگی‌های نوآورانه خود، پتانسیل جایگزینی فناوری‌های سنتی انرژی خورشیدی را دارند. سلول‌های ارگانیک با استفاده از مواد آلی و فرایندهای تولید کم‌هزینه، انعطاف‌پذیری بالا، وزن سبک و قابلیت کاربرد در سطوح مختلف، گزینه‌ای جذاب برای کاربردهای متنوع مانند پنجره‌های شفاف و دستگاه‌های پوشیدنی هستند. هرچند بازده کنونی آنها نسبت به سلول‌های سیلیکونی پایین‌تر است، اما پیشرفت در افزایش بازده و پایداری این فناوری می‌تواند آن را به گزینه‌ای رقابتی برای آینده تبدیل کند.
وی ادامه می‌دهد: از سوی دیگر، سلول‌های پروسکایتی با راندمان بالا(بیش از ۳۰ درصد در ترکیب با سیلیکون) و هزینه تولید پایین، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. این سلول‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری و قابلیت تولید انبوه، می‌توانند در کاربردهایی مانند ساختمان‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی جایگزین پنل‌های سیلیکونی شوند. با این حال، چالش‌هایی مانند ناپایداری و تأثیرات زیست‌محیطی مواد مورد استفاده هنوز مانع تجاری‌سازی گسترده آنها است. با ادامه تحقیقات برای رفع این محدودیت‌ها، سلول‌های پروسکایتی نقش کلیدی در تحول انرژی پاک آینده ایفا خواهند کرد و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰ سلول‌های خورشیدی پروسکایتی وارد بازار شوند و بخش اعظم تجارت مربوط به صنعت فوتوولتائیک را به خود اختصاص دهند.
عضو هیئت علمی دانشگاه اصفهان می‌افزاید: سیستم‌های ذخیره انرژی را می‌توان برای سازگاری بهتر با سلول‌های خورشیدی از طریق چندین استراتژی بهینه کرد. ادغام اینورترهای هوشمند با قابلیت‌های کنترل بهبودیافته می‌تواند عملکرد، کارایی و قابلیت اطمینان سیستم‌های ذخیره‌سازی خورشیدی را افزایش دهد.
کشاورزی با بیان اینکه به‌کارگیری باتری‌های LiFePO۴ می‌تواند مزایای قابل توجهی از جمله ایمنی پیشرفته، طول عمر بیشتر و اثرات زیست‌محیطی کمتر را فراهم آورد، می‌گوید: این باتری‌ها به دلیل عملکرد پایدار در شرایط آب و هوایی مختلف و چرخه‌های شارژ طولانی‌تر، گزینه مناسبی برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی هستند. علاوه بر این، مدیریت هوشمندانه شارژ و تخلیه سیستم ذخیره‌سازی برای کار در شرایط بار پایه و دوره‌های با قیمت برق بالا، می‌تواند به افزایش کارایی و سودآوری سیستم کمک کند.
پیشرفت‌های اخیر در فناوری سلول‌های خورشیدی، از جمله ترکیب سلول‌های پروسکایتی و سیلیکونی، توسعه نانومواد و یکپارچه‌سازی با معماری ساختمان (BIPV)، نویدبخش افزایش بازدهی و کاهش هزینه‌های تولید است. در عین حال، چالش‌هایی همچون پایداری سلول‌های پروسکایتی و بازیافت پنل‌های فرسوده، نیازمند تحقیق و راهکارهای نوآورانه است. با ادامه این مسیر، پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۳۰، سلول‌های خورشیدی پروسکایتی سهم عمده‌ای از بازار انرژی تجدیدپذیر را به خود اختصاص دهند و تحولی اساسی در تأمین انرژی پایدار ایجاد کنند.
