تولید سلول‌های خورشیدی پلیمری با بازدهی بالاتر

امروزه استفاده از سلول‌های خورشیدی با مشکلاتی ازقبیل سختی استعمال، قیمت بالا و پیچیدگی نصب کردن همراه است. دراین راستا یکی از اهداف پژوهشگران ایجاد امکان خریداری سلول‌های خورشیدی مورد نیاز شهروندان از فروشگاه‌های سخت افزار محلی و نصب آنها مانند یک پوستر به دیوار و در واقع رفع مشکلات مذکور است.

مطالعات اخیری که توسط محققین آموزشگاه علوم کاربردی ومهندسی UCLA Henry samueli صورت گرفته حاکی از نزدیکتر شدن به تحقق این هدف می‌باشد. یکی از پورفسورهای علوم و مهندسی مواد و همکارانش طراحی و سنتز پلیمری جدید برای استفاده در سلول‌های خورشیدی با ویژگی‌های قابل توجهی از جمله جذب بیشتر نور خورشید و قابلیت تبدیل بیشتر نسبت به پلیمرهای قبلی را در مقاله‌ی خود گزارش دادند.

این گروهِ تحقیقاتی دریافتند که جایگزین کردن یکی از کربن‌های زنجیر پلیمری با یک اتم سیلیکون بطور قابل توجهی خواص قدرت‌زای نوری (فوتوولتائیک) را بهبود می‌بخشد.

(پدیده‌ی فوتوولتائیک براساس میزان جذب فوتون‌های با انرژی کافیست که منجر به برانگیختگی الکترون‌ها شده و درنتیجه همانطور که در شکل دیده می شود جریانی از الکترون‌ها بوجود می‌آید.)

(درواقع وقتی فوتونی به این ماده برخورد کند، با شرط اینکه دارای انرژی کافی باشد، تمام انرژی خود را به یک الکترون داده و باعث حرکت آن الکترون می‌شود و به طبع هم یک حفره در ماده ایجاد می‌شود. چون ماده نوعی دیود است و همانند آن عمل می‌کند، بدین سبب حفره را به قسمت p والکترون را به قسمت  n می‌فرستد. حال اگر از یک رسانای خارجی برای اتصال دو قسمت n و pاستفاده شود، الکترون‌ها با عبور از این مسیر وایجاد جریان الکتریکی می‌توانند باعث تولید انرژی شوند. )

همچنین این پلیمر حاوی سیلیکون قابل کریستالیزه شدن است که نشان دهنده‌ی پتانسیل بالای آن به عنوان عاملی مؤثر برای بالا بردن بازدهی سلول‌های خورشیدی است.

به عقیده‌ی رهبراین گروه تحقیقاتی با توجه به بحران انرژی نیاز به تغییرات جدیدی درتکنولوژی سلول‌های خورشیدی برای عوام پسند کردن بیشتر آنها تصور می شود.

این گروه اظهار امیدواری کرد که پلیمر جدید سنتز شده در نهایت قابل استفاده برای سلول‌های خورشیدی با کاربردهای بهتر نسبت به سلول‌های فعلی باشد. تصورکنید که خانه یا خودرویی با فیلم‌های خورشیدی انعطاف پذیر پوشانده شده و انرژی مورد نیاز آن از این طریق تأمین شود. هدف این گروه تحقیقاتی بکار بردن این سلول‌ها در هر جای مورد نیاز است.

(سلول‌های خورشیدی کاربردهای بسیاری دارند. سلول‌های منفرد برای فراهم کردن توان لازم دستگاه‌های کوچک‌ مانند ماشین حساب الکترونیکی به کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک الکتریسیته‌ای بازیافت‌ شدنی‌ تولید می‌کنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارند. برای مثال می‌توان به محل‌های دور از دسترس، ماهواره‌های مدارگرد، کاوش‌گرهای فضایی و ساختمان‌های مخابراتی دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل‌هایی که شبکه‌ی توزیع هم موجود است مرسوم شده ‌است.)

پلیمرها ازجمله مواد سبک می‌باشند و پلاستیک‌های کم هزینه برای بسته‌بندی‌های مواد و فرآورده‌های ارزان قیمت مانند عایق‌ها، لوله‌ها، تولیدات خانگی و اسباب بازی‌ها بکار برده می‌شوند. در سلول‌های خورشیدی پلیمری برای تولید انرژی الکتریکی از نور خورشید از ترکیبات آلی استفاده می‌شود. این سلول‌ها نسبت به سلول‌های خورشیدی برپایه‌ی سیلیکون هزینه‌های تولید کمتری داشته و زیست سازگارند.

(تا پیش از این، بهترین سلول‌های خورشیدی بر پایه‌ی مخلوطی از پلیمرهای کونجوگه و فولرین‌ها با بازدهی ۴ الی ۵% تحت نور خورشید بودند که این مقدار بسیار کمتر از بازدهی ۱۵ درصدی سلول‌های سیلیکونی تجاری بود. این مشکل تا حدودی مربوط به جذب ناچیز بسیاری از پلیمرهای نیمه هادی در محدوده‌ی طیف‌های قرمز و نزدیک به مادون قرمز نور خورشید که شار فوتون‌ها درآن ماکسیمم است، می‌باشد. (نور خورشیدی که به زمین می‌رسد شامل ۴۷% اشعه‌ی مادون قرمز, ۴۶% نور مرئی و ۷% اشعه‌ی فرابنفش می‌باشد. به همین دلیل سلول‌های خورشیدی باید در ناحیه مادون قرمز و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند.) درواقع با افزایش محدوده‌ی طول موج‌های جذبی توسط پلیمرهای نیمه هادی وتبدیل آنها به الکتریسیته بازدهی سلول افزایش خواهد یافت.

پلیمرهای کونجوگه دارای ساختاری متناوب از باندهای یگانه‌ی طویل و باندهای دوگانه‌ی کربن-کربن کوتاه درطول زنجیر پلیمری می باشند. این کانفیگوراسیون باعث عدم تمرکز الکترون‌های اضافی در باندهای  دوگانه‌ی زنجیر شده و خاصیت نیمه رسانایی را به آنها می‌بخشد. طول موج‌هایی که توسط پلیمر جذب نمی‌شوند – بدلیل باند گپ نوری پلیمر یا شکاف بین باندها که باعث عبور و عدم جذب طول موج‌های معینی از نور از پلیمر می‌شود- وابسته به فواصل بین باندهایی که به صورت تناوبی در زنجیر قرار گرفته‌اند می‌باشد و با مینیمم کردن فواصل بین باندهای یگانه و دوگانه می‌توان اشعه‌ی مادون قرمز را نیز وارد محدوده‌ی جذب پلیمر کرد.

یکی ازاستراتژی‌های موفقیت آمیز در این راستا استفاده از کانفیگوراسیونی متشکل از واحدهای آروماتیکی غنی از الکترون و واحدهای آروماتیکی دارای کمبود الکترون به صورت متناوب است، که باندهای یگانه ودوگانه به صورت یک در میان در آن قرار گرفته باشند. در شکل زیر دونمونه از این ترکیبات نشان داده شده اند. در ترکیبی که به رنگ سبز نشان داده شده به دلیل کمتر بودن باند گپ نسبت به ترکیب نشان داده شده با رنگ آبی، میزان جذب پرتوهای با طول موج بیشتر (نزدیک به قرمز و مادون قرمز) بیشتر می‌باشد.

با استفاده از پلیمر جدید سنتز شده توسط این گروه تحقیقاتی درصد بازدهی این سلول‌های خورشیدی به ۵.۱ برابر افزایش یافت و پس از مدت کوتاهی توسط همین گروه این مقدار به ۵.۶% در آزمایشگاه رسید. همچنین این گروه تحقیقاتی افزودند که مواد قدرت زای نوری (فوتوولتائیک) بکار برده شده در سلول خورشیدی جدید یکی از پربازده ترین مواد بر پایه‌ی یک لایه‌ی منفرد، با باند گپ کم می باشند. در باند گپ کم‌تر، سلول خورشیدی پلیمری از محدوده‌ی وسیع تری  از طیف‌های خورشیدی استفاده کرده و در نتیجه نور خورشید بیشتری جذب می‌کند. در میزان باند گپ بالاتر، نور به راحتی جذب نشده و اتلاف رخ می دهد.

همچنین در گذشته فرآیندهای تولید این سلول‌ها بسیار پیچیده بود، که توسط این گروه فرآیندها و تولید انبوه تسهیل شده‌اند.

با اینکه این نتایج مرحله‌ی مهمی از دستیابی به موفقیتی بزرگ است با این حال این گروه قصد دارد فعالیت‌های خود را در راستای بهبود مواد بکار برده شده ادامه دهد. هدف این گروه افزایش درصد بازدهی این سلول‌ها تا ۱۰% است که به عقیده‌ی آنها این سلول‌ها پتانسیل این میزان بازدهی را دارند.

هدف دیگر این گروه رساندن ضخامت این سلول‌ها به ضخامت یک کاغذ است که به سادگی بر سطوح مورد نظر قابل الصاق باشند.

یکی از اعضای این گروه می‌گوید می‌توان سلول‌های خورشیدی به رنگ‌های مختلف برای مصارف  متفاوت تهیه کرد.