پژوهشگران دانشگاه شیراز، در طرحی از نانوساختارها در ساخت سلول‌های خورشیدی استفاده کردند تا بتوانند بازده این تجهیزات را افزایش دهند. در این طرح تلاش شده تا دانش ساخت این سلول‌ها به شکلی بومی ایجاد شده و هزینه‌ی ساخت آن‌ها نیز از دیدگاه اقتصادی توجیه‌پذیر
شیراز: گامی به سوی تولید سلول‌های خورشیدی با هزینه‌ی کم و عملکرد بالا
بالا بردن راندمان سلول‌های خورشیدی همواره یکی از دغدغه‌های صنایع تولید کننده‌ی انرژی‌های نوین است. به همین دلیل تلاش محققان بر این است که بتوانند با بهینه نمودن هرکدام از فرآیندهای تولید این تجهیزات، با کمترین هزینه‌ی ممکن، میزان تولید الکتریسیته از نور خورشید را در سلول‌های خورشیدی بالا ببرند.
به گفته‌ی محسن اسد، در این طرح تلاش شده تا افزون بر بومی کردن دانش ساخت سلول‌های خورشیدی از مرحله ویفر خام تا سلول کامل، بازده این تجهیزات نسبت به سلول‌های متدوال افزایش یابد.
وی نحوه‌ی دستیابی به این هدف را در نمونه‌های ساخته شده بدین شرح بیان کرد: «عمده‌ترین مشکل بالا بردن راندمان سلول خورشیدی، ثابت بودن سطح آن‌هاست. در نمونه‌های سنتز شده، این مشکل با ایجاد بافت نانومتری بر روی سطح و به دام انداختن بیشتر فوتون‌های نوری حل شده است.»
بدین ترتیب با افزایش راندمان سلول‌های خورشیدی، هزینه‌ی تولید الکتریسیته از این سلول‌ها کاهش خواهد یافت و فرآیند تولید انرژی‌های تجدیدپذیر اقتصادی‌تر می‌گردد. این موارد از مهم‌ترین دستاوردهای این پژوهش است که حاصل شده است.
به گفته‌ی این محقق به طور کلی جهت افزایش بازده عملکرد سلول‌های خورشیدی دو راهکار نوری و الکتریکی مطرح است. در روش اول مبنا بر جذب حداکثر نور از محیط و حداقل بازتاب از سطح سلول خورشیدی است. برای این کار می‌توان از پوشش‌های ضدبازتاب استفاده کرد. راهکارهای مؤثر دیگر زدایش سطحی به صورت ناهموار در ساختار سلول است. در این روش باید بتوان بافت‌های هرمی را در سطح سلول‌های خورشیدی به وجود آورد. این بافت‌های هرمی که ابعاد میکرومتری دارند، باعث کاهش بازتاب نور تابیده به سطح شده و موجب تغییر جهت نور به سمت داخل سلول به سمت مکان پیوند نیمه هادی می‌گردند.
در این تحقیق با استفاده از خاصیت زدایش کاتالیستی نانوذرات نقره نسبت به سیلیسیوم، بر روی بافت‌های هرمی میکرومتری، بافت‌های نانومتری ایجاد شده است که میزان بازتاب نور را به حداقل میزان ممکن رسانده است.
استفاده از روش الکتریکی نیز از دیگر روش‌های استفاده شده در دستیابی به افزایش بازده نمونه‌ها بوده است. به صورتیکه با توجه به نقص‌های کریستالی به وجود آمده در سطح سلول خورشیدی ناشی از زدایش نانومتری، فرآیند منفعل سازی سطح با استفاده از پلاسمای هیدروژن مورد استفاده قرار گرفته است.
به گفته‌ی اسد، مجموع این روش‌های نوری و الکتریکی منجر به ساخت سلول خورشیدی سیلیسیومی تک بلوره با بازده بالاتر از ۱۸ درصدی شده که افزایش ۲۳ درصدی در جریان نوری (Iph) و ۴ درصدی ولتاژ مدار باز (Voc) را نسبت به نمونه‌های بدون استفاده از ساختارهای نانو به همراه داشته است.
این محقق در پایان عنوان کرد: «کشور ما از نظر موقعیت تابش خورشیدی دارای استعداد بسیار زیادی در زمینه‌ی راه‌اندازی نیروگاه‌های خورشیدی است. از این روی با توجه به دانش فنی که در اجرای این پروژه در راستای طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی سیلیسیومی به دست آمده است، راه‌اندازی خط تولید سلول‌های خورشیدی دور از انتظار نیست.»
این تحقیقات حاصل همکاری محسن اسد- دانشجوی دکترای الکترونیک دانشگاه شیراز- محمد رضا کوثری- عضو گروه تحقیقاتی ادوات نیمه هادی- و دکتر محمدحسین شیخی- مدیر گروه تحقیقاتی ادوات نیمه هادی این دانشگاه- است. نتایج این کار در مجله‌ی Optik – International Journal for Light and Electron Optics (جلد ۱۲۶، شماره ۲۴، سال ۲۰۱۵، صفحات ۵۷۶۲ تا ۵۷۶۶) به چاپ رسیده است.
به گفته‌ی محسن اسد، در این طرح تلاش شده تا افزون بر بومی کردن دانش ساخت سلول‌های خورشیدی از مرحله ویفر خام تا سلول کامل، بازده این تجهیزات نسبت به سلول‌های متدوال افزایش یابد.
وی نحوه‌ی دستیابی به این هدف را در نمونه‌های ساخته شده بدین شرح بیان کرد: «عمده‌ترین مشکل بالا بردن راندمان سلول خورشیدی، ثابت بودن سطح آن‌هاست. در نمونه‌های سنتز شده، این مشکل با ایجاد بافت نانومتری بر روی سطح و به دام انداختن بیشتر فوتون‌های نوری حل شده است.»
بدین ترتیب با افزایش راندمان سلول‌های خورشیدی، هزینه‌ی تولید الکتریسیته از این سلول‌ها کاهش خواهد یافت و فرآیند تولید انرژی‌های تجدیدپذیر اقتصادی‌تر می‌گردد. این موارد از مهم‌ترین دستاوردهای این پژوهش است که حاصل شده است.
به گفته‌ی این محقق به طور کلی جهت افزایش بازده عملکرد سلول‌های خورشیدی دو راهکار نوری و الکتریکی مطرح است. در روش اول مبنا بر جذب حداکثر نور از محیط و حداقل بازتاب از سطح سلول خورشیدی است. برای این کار می‌توان از پوشش‌های ضدبازتاب استفاده کرد. راهکارهای مؤثر دیگر زدایش سطحی به صورت ناهموار در ساختار سلول است. در این روش باید بتوان بافت‌های هرمی را در سطح سلول‌های خورشیدی به وجود آورد. این بافت‌های هرمی که ابعاد میکرومتری دارند، باعث کاهش بازتاب نور تابیده به سطح شده و موجب تغییر جهت نور به سمت داخل سلول به سمت مکان پیوند نیمه هادی می‌گردند.
در این تحقیق با استفاده از خاصیت زدایش کاتالیستی نانوذرات نقره نسبت به سیلیسیوم، بر روی بافت‌های هرمی میکرومتری، بافت‌های نانومتری ایجاد شده است که میزان بازتاب نور را به حداقل میزان ممکن رسانده است.
استفاده از روش الکتریکی نیز از دیگر روش‌های استفاده شده در دستیابی به افزایش بازده نمونه‌ها بوده است. به صورتیکه با توجه به نقص‌های کریستالی به وجود آمده در سطح سلول خورشیدی ناشی از زدایش نانومتری، فرآیند منفعل سازی سطح با استفاده از پلاسمای هیدروژن مورد استفاده قرار گرفته است.
به گفته‌ی اسد، مجموع این روش‌های نوری و الکتریکی منجر به ساخت سلول خورشیدی سیلیسیومی تک بلوره با بازده بالاتر از ۱۸ درصدی شده که افزایش ۲۳ درصدی در جریان نوری (Iph) و ۴ درصدی ولتاژ مدار باز (Voc) را نسبت به نمونه‌های بدون استفاده از ساختارهای نانو به همراه داشته است.
این محقق در پایان عنوان کرد: «کشور ما از نظر موقعیت تابش خورشیدی دارای استعداد بسیار زیادی در زمینه‌ی راه‌اندازی نیروگاه‌های خورشیدی است. از این روی با توجه به دانش فنی که در اجرای این پروژه در راستای طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی سیلیسیومی به دست آمده است، راه‌اندازی خط تولید سلول‌های خورشیدی دور از انتظار نیست.»
این تحقیقات حاصل همکاری محسن اسد- دانشجوی دکترای الکترونیک دانشگاه شیراز- محمد رضا کوثری- عضو گروه تحقیقاتی ادوات نیمه هادی- و دکتر محمدحسین شیخی- مدیر گروه تحقیقاتی ادوات نیمه هادی این دانشگاه- است. نتایج این کار در مجله‌ی Optik – International Journal for Light and Electron Optics (جلد ۱۲۶، شماره ۲۴، سال ۲۰۱۵، صفحات ۵۷۶۲ تا ۵۷۶۶) به چاپ رسیده است.
