در ادامه معرفی فناوری های نوین دانشمندان MIT یک سلول خورشیدی سبک وزن و جدید را توسعه داده اند که با وزن کم و انعطاف بالا می تواند بر روی انواع سطوح مورد استفاده قرار گیرد.

به گزارش تکناک، فناوری سلول‌های خورشیدی به عنوان یک راه حل کلیدی در انتقال ما به اشکال پاک‌تر انرژی محسوب می شود، اما در این زمینه جنبه های متفاوتی برای آزمایش وجود دارد.

سلول های خورشیدی که نازک و انعطاف پذیر هستند، نوید منحصر به فردی را در این حوزه می دهند، زیرا می توانند بر روی انواع سطوح نامنظم، منحنی و نامناسب نصب شوند.

گروه می از MIT که پشت این فناوری بود به دنبال ادامه پیشرفت‌های قبلی خود در علم مواد است. این گروه در سال 2016 سلول‌های خورشیدی بسیار نازکی ابداع کرد که به اندازه ای سبک بودند که می توانستند بدون شکستن یک حباب صابون روی آن بنشینند. مانند سایر سلول‌های خورشیدی نازک، سبک و انعطاف‌پذیر که در طول سال‌ها به آن‌ها نگاه کرده‌ایم، این نوآوری به انواع متفاوتی از احتمالات اشاره می‌کند، از وسایل الکترونیکی مبتنی بر کاغذ گرفته تا پوشیدنی‌های سبک وزن که انرژی را در طول روز جمع‌آوری می‌کنند.

علیرغم پتانسیل بالا، تیم هنوز مشکلاتی برای حل کردن داشت، زیرا تکنیک ساخت سلول های خورشیدی به محفظه های خلاء و روش های گران قیمت رسوب بخار نیاز داشت. به منظور افزایش مقیاس فناوری، اکنون دانشمندان به مواد قابل چاپ مبتنی بر جوهر روی آورده اند تا فرآیند را ساده کنند.

این کار با نانومواد به شکل جوهرهای نیمه رسانای قابل چاپ آغاز می شود. این فناوری پتانسیل گسترده در زمینه الکترونیک دارد. اینها به همراه یک الکترود قابل چاپ روی یک بستر پلاستیکی با ضخامت تنها 3 میکرون قرار می گیرند تا یک ماژول خورشیدی را تشکیل دهند. سپس می‌توان آن ماژول را جدا کرد و به یک بستر پارچه چسباند که استحکام مکانیکی لازم برای جلوگیری از پارگی را ارائه می دهد و در عین حال حداقل وزن را اضافه می‌کند.

محصول نهایی یک سلول خورشیدی منعطف و فوق سبک با یک صدم وزن پنل های خورشیدی معمولی است، اما توانایی تولید 18 برابر بیشتر انرژی در هر کیلوگرم را دارد. در آزمایش، تیم دریافتند که سلول خورشیدی توانایی تولید انرژی 370 وات بر کیلوگرم در صورت چسبیدن به پارچه، و تا 730 وات در صورتی که به تنهایی استفاده شود را دارد.

مایوران، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: یک نصب معمولی خورشیدی روی پشت بام در ماساچوست حدود 8هزار وات انرژی تولید می‌کند. برای تولید همین مقدار نیرو، فتوولتائیک های پارچه ای ما تنها حدود 20 کیلوگرم به سقف خانه اضافه می کنند.

آزمایش این تیم همچنین نشان داد که پنل خورشیدی پارچه‌ای می‌تواند بیش از 500 بار رول شود و باز شود و در عین حال 90 درصد از قابلیت‌های تولید برق خود را حفظ کند، بنابراین دوام بسیار خوبی از خود نشان می دهد. از جمله مشکلاتی که تیم در تلاش است به آن رسیدگی کند، مسئله تخریب محیط زیست است، زیرا سلول های خورشیدی با نوعی بسته بندی فوق نازک برای محافظت در برابر عناصر خارجی پوشیده می شود.

جرمیا مواورا، دانشمند پژوهشی در آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک MIT گفت: محصور کردن این سلول‌های خورشیدی در شیشه‌های سنگین، همانطور که استاندارد سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سنتی است، ارزش پیشرفت کنونی را به حداقل می‌رساند، بنابراین تیم در حال حاضر در حال توسعه راه‌حل‌های بسته‌بندی بسیار نازک است که وزن دستگاه‌های فوق‌سبک فعلی را تنها به میزان جزئی افزایش می‌دهد.

اگر بتوان این نوع مشکلات را حل کرد، ضخامت کم و وزن سبک سلول‌های خورشیدی می‌تواند کاربردهای گوناگونی برای آنها پیدا کند. استفاده از آنها بر روی بادبان های یک قایق، قسمت خارجی چادرها یا بال های هواپیماهای بدون سرنشین برخی از نمونه های ارائه شده است. اما در تئوری می توان آنها را تقریباً در هر جایی برای اهداف تولید برق مستقر کرد.

مهندسان یک سلول خورشیدی جدید از جنس پروسکایت با ولتاژ و بازدهی بی سابقه ساخته اند که طول‌موج‌های مختلف نور را تبدیل به انرژی الکتریکی می کند، و یک سطح ویژه دارد  که هدر رفت انرژی را کاهش می‌دهد.

به گزارش تکناک، این سلول خورشیدی به شکل پشت سر هم ساخته شده و از دو لایه پروسکایت استفاده می‌کند.

پروسکایت نه تنها در جذب انرژی از نور خورشید عالی است، بلکه نازک‌تر، سبک‌تر، انعطاف‌پذیرتر، و ساخت آن آسان‌تر و ارزان‌تر از  بقیه مواد مورد استفاده در ساخت سلول های خورشیدی است.

استفاده و کارایی پروسکایت ، در مدت کمی بیش از یک دهه به شدت افزایش یافته است به نحوی که  از کمتر از 4 درصد استفاده در سال 2009 به بیش از 25 درصد در سال 2021 رسیده و اکنون رقیب سیلیکون است.

حتی در سلول‌های به اصطلاح پشت سر هم یا Tandem بهتر عمل می‌کند، جایی که چندین لایه از مواد روی هم چیده شده‌اند تا طول موج‌های متفاوتی از نور خورشید را دریافت کنند. به عنوان مثال، سلول های خورشیدی پشت سر هم پروسکایت-سیلیکون اخیراً از نقطه عطف بازدهی 30 درصد عبور کرده اند.

در مطالعه جدید، تیمی از مهندسان یک سلول خورشیدی پشت سر هم تمام پروسکایت ی ساخته و آزمایش کرده اند. سوال اینجاست که چگونه یک سلول خورشیدی می تواند تمام پروسکایت باشد اما همچنان پشت سر هم باشد؟ ضخامت و ترکیب شیمیایی مواد را می توان به گونه ای تغییر داد که بخش های مختلف طیف نور خورشید را جذب کنند. بنابراین دو نسخه مختلف از مواد را می توان در یک سلول خورشیدی ترکیب کرد.

چانگ ون لی  نویسنده ارشد این مطالعه گفت: در سلول ما، لایه پروسکایت بالایی دارای یک شکاف باند وسیع‌تر است که به خوبی در قسمت طیف فرابنفش و همچنین طیف نور مرئی قابلیت جذب دارد. لایه زیرین دارای یک شکاف باند باریک است که بیشتر برای جذب طیف  مادون قرمز تنظیم شده است. ما جذب طیف نوری بیشتری بیش از آنچه که با سیلیکون امکان پذیر است، را پوشش می دهیم.

با استفاده از این طرح، تیم گزارش داد که یک سلول خورشیدی با اندازه 1 سانتی‌متر مربع دارای حداکثر بازدهی 27.4 درصدی است که در نوع خود یک رکورد و برای هر نوع سلول خورشیدی قابل توجه است. با این حال، تیم هنوز فقط 0.1درصد کمتر از سلول خورشیدی رکورددار رسمی فعلی عقب تر است، زیرا یک گواهینامه مستقل توسط NREL بازدهی 26.3 درصد را ثبت کرده است.

جایی که این سلول خورشیدی به رکورد جدیدی دست یافت،  ولتاژ آن است. این تیم ولتاژ مدار باز 2.19 الکترون ولت را اندازه‌گیری کردند که بالاترین ولتاژ در بین سلول‌های خورشیدی پشت سر هم تمام پروسکایتی بود.

هر دوی این آمارهای چشمگیر به لطف تغییرات ایجاد شده توسط تیم در لایه جذب کننده نور پروسکایت و لایه ای که الکترون ها در آن حرکت میکنند به دست آمده است. این تیم متوجه شد که میدان الکتریکی در سراسر سطح پروسکایت ثابت نیست، به این معنی که برخی از الکترون‌ها در مدار گم می‌شوند. بنابراین تیم یک پوشش نازک از آنچه پروپاندی آمونیوم (PDA) نامیده می شود، اضافه کردند که بار الکتریکی در سطح این لایه را یکنواخت می کند.

این تیم می‌گوید که برنامه آینده بر افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی از طریق پایدارتر کردن سلول، افزایش جریان و گسترش اندازه سلول متمرکز خواهد بود.