مطلب قبلی: مروری بر تکنولوژی نقاط کوانتومی

مطلب بعدی: کاربرد نقاط کوانتومی در سلول‌های خورشیدی - قسمت دوم

هر روز که می‌گذرد گازهای گلخانه‌ای حاصل از سوخت‌های فسیلی باعث سریع‌تر شدن روند گرمایش کره‌ی زمین می‌شوند. این در حالی است که انرژی دریافتی از خورشید چندین هزار برابر انرژی لازم برای استفاده‌ی زمینیان است. پس راه حل جلوگیری از گرمایش زمین واضح به نظر می‌رسد: استفاده از انرژی خورشیدی و حذف سوخت‌های فسیلی. مشکل اینجاست که بهره‌برداری از انرژی خورشیدی به این سادگی‌ها نیست. مستقیم‌ترین راه برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی استفاده از سلول‌های خورشیدی است. سلول خورشیدی یک ویفر نازک از جنس مواد نیمه رسانا است که بین دو ترمینال رسانای الکتریسیته قرار گرفته است. با تابش نور به سلول خورشیدی و نفوذ آن به داخل ماده‌ی نیمه رسانا، یک ولتاژ داخل سلول مانند یک باتری معمولی ایجاد می‌شود. در ترمینال‌ها یک سیم قرار داده شده است که می‌تواند این جریان ایجاد شده را منتقل کند.

سیلیکون کریستالی اولین ماده‌ی فوتوولتائیکی بود که در سلول‌های خورشیدی استفاده شد. این سلول‌ در دهه‌ی 1950 در آزمایشگاه Bell ساخته شد. امروزه این سلول‌های ساخته شده با سیلیکون کریستالی (نسل اول) به دلیل بازده بالا پُرفروش‌ترین نوع سلول‌های خورشیدی در بازار هستند.

یک سلول نسل اول تا 25 درصد از انرژی خورشیدی دریافتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. (بازده 25 درصد) صفحه‌هاي خورشیدی نصب شده (شامل صدها سلول خورشیدی نسل اول) بازدهی در حدود 15 درصد دارند و این عدد بسیار امیدوار کننده است. زمانی که خورشید در بالای سر قرار دارد هر متر مربع از یک صفحه‌ی خورشیدی به طور میانگین هزار وات انرژی از خورشید دریافت می‌کند. درنتیجه یک صفحه‌ی خورشیدی به مساحت 30 متر مربع (فقط بخشی از یک سقف با ابعاد معمولی) انرژی الکتریکی لازم برای مصارف روزانه‌ی یک خانه‌ی کوچک را فراهم می‌کند. (حدود 5 کیلو وات) 

اما صفحه‌هاي خورشیدی نسل اول مشکل هزینه دارند. هزینه‌ی تهیه‌ی صفحه‌هاي خورشیدی برای تولید 5 کیلو وات انرژی مذکور در حدود 15 هزار دلار و یا بیشتر است. همچنین کُل سیستم باتری‌ها و اتصالات برق این هزینه را دو برابر می‌کند. متأسفانه دلیل هزینه‌ی بالای این صفحه‌هاي خورشیدی، سیلیکون کریستالی به کار رفته در سلول‌های نسل اول است. فرآیندهای دقیق و انرژی زیادی لازم است تا قطعات سیلیکون تک کریستالی با خلوص بالا تهیه شوند. این قطعات سپس در ضخامت کاغذ (200 میکرومتر) برای استفاده در داخل سلول‌ها بریده می‌شوند (هر میکرون یک میلیونم متر است). در دنیای الکترونیک 200 میکرون (حدود 500 هزار اتم) ضخامت زیادی محسوب می‌شود و تولید این ضخامت مطابق با استانداردهای صنعتی بسیار گران تمام می‌شود.  

دانشمندان هزینه‌ها را در نسل دوم سلول‌های خورشیدی کاهش داده‌اند. آنها ویفرهای ضخیم تک کریستالی سیلیکون را حذف کرده‌اند و به جای آن از فیلم‌های نازک از مواد مختلف فوتوولتائیک مثل سیلیکون آمورف (غیر کریستالی) یا کادمیوم تلوراید استفاده می‌کنند. کاهش مقدار ماده‌ی داخل هر سلول هزینه‌ی ساخت را کاهش می‌دهد اما در عین حال باعث کم شدن بازده این سلول‌ها می‌شود. این سلول‌ها یا میزان میزان کمتری از نور خورشید را جذب می‌کنند و یا بازده کمتری در انتقال حامل‌های بار به ترمینال‌ها دارند. بنابراین با اینکه علاقه‌ی مردم به انرژی خورشیدی در حال افزایش است، تا زمانی که انرژی الکتریکی تولید شده توسط سلول‌های خورشیدی بسیار گران‌تر از انرژی الکتریکی بدست آمده از سوخت‌های فسیلی باشد، نقش سلول‌های خورشیدی در تولید برق همچنان کم‌رنگ خواهد ماند. پس هدف این است که روشی ارزان و با بازدهی بالا برای تولید برق با استفاده از سلول‌های خورشیدی شناسایی شود.  ویکتور کلیموف در Los Alamos و دیگر دانشمندان در سراسر دنیا عقیده دارند که تحقیقات فشرده در دو دهه‌ی آینده منجر به جهشی به جلو در تکنولوژی‌های خورشیدی خواهد شد. جهشی که باعث ساخت سلول‌های خورشیدی نسل سوم با بازده بالاتر و هزینه‌ی کمتر خواهد شد. کلیموف امیدوار است سلول‌های خورشیدی با بازدهی 20 درصد و قیمت پایین ساخته خواهد شد که می‌تواند با نفت و زغال‌سنگ رقابت کند.

کلیموف به تازگی به ریاست مرکز Advanced Solar Photophysics در Los Alamos منصوب شده است که در حال همکاری با شش موسسه‌ی دیگر شامل National Renewable Energy Laboratory (NREL) در کلورادو، دانشگاه Rice در تگزاس، دانشگاه کلورادو، مدرسه‌ی معدن کلورادو، دانشگاه Irvine کالیفرنیا و دانشگاه Minnesota برای انجام تحقیقات در زمینه‌ی کشف راهی به صرفه برای استفاده از سوخت‌های غیر کربنی در جهان هستند. تعداد 46 مرکز در حال انجام این تحقیقات هستند و در این بین 13 مرکز منحصراً در زمینه‌ی انرژی خورشیدی فعالیت می‌کنند. 

کلیموف می‌گوید: «مرکز ما بر روی نانوکریستال‌های نیمه رسانا و به طور خاص نقاط کوانتومی نانوکریستالی کار می‌کند. هزینه‌ی ساخت این مواد ارزان است زیرا می‌توان آنها را در داخل محلول ساخت.» نقاط کوانتومی لکه‌های کوچکی هستند که هر کدام شامل 100 تا 10000 اتم هستند و ابعادی بین 2 تا 20 نانومتر دارند. 

نقاط کوانتومی نانوکریستالی خواصی دارند که متناسب با نیازهای مواد فوتوولتائیک است. اول اینکه ساخت این مواد آسان است. شیمیدان برجسته Jeff Pietryga از تیم کلیموف در Los Alamos به همراه شیمیدان‌های دیگر در همان مرکز روش‌هایی بهینه برای ساخت نانوکریستال‌هایی با ابعاد و ترکیب درصدهای یکسان در محلول تعبیه کرده‌اند. با ریختن قطرات کریستال محلول بر روی یک صفحه‌ی چرخان و سپس خشک شدن آنها به سادگی می‌توان یک فیلم یکنواخت از این نانوکریستال‌ها ساخت. هزینه‌ی ساخت این فیلم‌ها بسیار ارزان‌تر از هزینه‌ی ساخت فیلم‌های نازک نیمه‌رسانای معمولی است که برای تولید نیاز به تکنولوژی‌های رسوب‌گیری گران قیمت دارند. 

دوم اینکه یک فیلم نازک نانوکریستالی (با ضخامت حدود 50 تا 100 نانوکریستال) می‌تواند به اندازه‌ی ویفرهای سیلیکونی تک کریستال استاندارد که هزار مرتبه ضخیم‌تر هستند نور جذب کند. 

سوم اینکه نانوکریستال‌ها می‌توانند در ابعاد مختلف ساخته شوند. اما چه نیازی به ابعاد مختلف آنها داریم؟ ابتدا باید بررسی کنیم که چگونه با برخورد نور به سلول‌های خورشیدی ساخته شده از سیلیکون ولتاژ ایجاد می‌شود. فوتون‌های مجزا (ذرات کوانتومی نور) توسط الکترون‌هایی که متصل به اتم‌های داخل شبکه‌ی کریستالی نیمه رسانا هستند جذب می‌شوند. انرژی این فوتون‌های خورشیدی به اندازه‌ای است که می‌تواند الکترون‌ها را از موقعیت خود آزاد کند و به آنها ولتاژ خاصی بدهد. این الکترون‌های آزاد (رسانا) با دریافت این ولتاژ در طول سلول خورشیدی که در مدار قرار گرفته است حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی را منتقل می‌کنند. 

میزان انرژی لازم برای آزاد کردن این الکترون‌ها چقدر است؟ الکترون‌های یک ماده‌ی نیمه رسانا مانند پله‌های نردبان با یک روند افزایشی انرژی در سطح‌های مختلف (حالات مجاز انرژی) قرار دارند. این نردبان شامل لایه‌ی ظرفیت و لایه‌ی رسانش می‌باشد. بین این دو لایه نیز یک شکاف با مقدار انرژی مشخص وجود دارد.

الکترون‌هایی که در بالاترین موقعیت در لایه‌ی ظرفیت قرار دارند، با گرفتن انرژی لازم می‌توانند فاصله‌ی انرژی بین لایه‌ی ظرفیت و لایه‌ی رسانش را طی کنند و به پایین‌ترین موقعیت لایه‌ی رسانش منتقل شوند و درنتیجه از الکترون‌های ظرفیتی به الکترون‌های رسانا تبدیل شوند. این انرژی لازم باید مساوی یا بیشتر از انرژی شکاف بین دو لایه باشد. انرژی فوتون‌های خورشیدی در این بازه قرار دارد. در نتیجه اگر یک الکترون ظرفیت فوتون خورشید را جذب کند می‌تواند به لایه‌ی رسانش جهش کند و به یک الکترون رسانا تبدیل شود. اما الکترون با جدا شدن از لایه‌ی ظرفیت یک حفره‌ در آن لایه از خود به جا می‌گذارد. این حفره که در شبکه‌ی کریستال قرار دارد به صورت یک بار مثبت عمل می‌کند و بارهای منفی لایه‌ی ظرفیت را به خود جذب می‌کند. جدا شدن الکترون از لایه‌ی ظرفیت و رفتن آن به لایه‌ی رسانش به همراه ایجاد حفره در لایه‌ی ظرفیت برانگیختگی نامیده می‌شود. زمانی که یک میدان الکتریکی سبب حرکت الکترون‌های رسانش و حفره‌ها به ترمینال‌های مخالف می‌شود، الکتریسیته تولید می‌شود.

در نمونه‌های ماکروسکوپی از یک نیمه رسانا شکاف انرژی همیشه یکسان و مستقل از ابعاد نمونه است. اما در نانوکریستال‌های کوچک تغییرات بسیار ناچیز در ابعاد نیز روی شکاف انرژی تأثیر می‌گذارد. هرچه نانوکریستال بزرگتر باشد شکاف انرژی کوچکتر خواهد بود. کلیموف می‌گوید که با بهره‌گیری از علم شیمی محلول‌ها می‌توان کریستال‌هایی با ابعاد دقیق ساخت که در نتیجه میزان انرژی جذبی توسط کریستال‌ها تنظیم خواهد شد.

برای استفاده از این خاصیت می‌توان سه لایه نانوکریستال را روی هم قرار داد که هر کدام کوچکتر از لایه‌ی زیری خود باشد. درنتیجه به ترتیب از پایین به بالا شکاف انرژی بزرگتر می‌شود. کوچک‌ترین نانوکریستال در لایه‌ی رویی پرانرژی‌ترین فوتون‌های دریافتی را به حامل‌های بار الکتریکی در ولتاژی تقریباً برابر با شکاف انرژی تبدیل می‌کنند. فوتون‌های کم انرژی‌تر از کریستال لایه‌ی اول عبور می‌کنند و به لایه‌ی دوم یا سوم می‌رسند و در آنجا حامل‌های باری در ولتاژهای پایین‌تر تولید می‌کنند. ولتاژ کلی، مجموعِ ولتاژ بدست آمده از هر کدام از این سه لایه است. در نتیجه چند لایه کردن سلول‌ها باعث می‌شود ولتاژ بیشتری از طیف خورشیدی تولید شود و برق بیشتری نسبت به سلول‌های تک لایه بدست بیاید. بازدهی این سیستم سه لایه برابر با بازدهی صفحه‌هاي خورشیدی بسیار گران‌قیمتی است که برای تأمین برق مورد نیاز ماهواره‌ها استفاده می‌شود. از همه جالب‌تر اینکه این مرکز جدید سعی دارد از چند پدیده‌ی جدید در ابعاد نانو بهره‌برداری کند که باعث افزایش راندمان تولید برق سیستم‌های تک لایه، افزایش میزان جذب نور توسط این سیستم‌ها و حل مشکلات حمل بار الکتریکی به ترمینال‌ها می‌شود.

منبع:

Los Alamos Science and Technology Magazine

منابع مفيد:

گرمايش زمين

انرژي خورشيدي

سلول‌هاي خورشيدي چگونه کار مي‌کنند؟

بازدهي سلول‌هاي خورشيدي

Solar Cell- WIKI

نقاط کوانتمي

مروري بر تکنولوژي نقاط کوانتمي

مطلب قبلی: مروری بر تکنولوژی نقاط کوانتومی

مطلب بعدی: کاربرد نقاط کوانتومی در سلول‌های خورشیدی - قسمت دوم