کاربرد گرافن در سلول خورشیدی - ایران گرافن

تاکنون به تاثیرات مثبت کاربرد گرافن در سلول خورشیدی در سراسر جهان پرداخته شده است.

دسترسی بهتر به منابع انرژی تجدیدپذیر به یکی از دغدغه های اصلی کشورهای در حال توسعه در زمان های اخیر تبدیل شده است. انرژی خورشیدی در خط مقدم تلاش های کشورها برای توسعه فناوری های جدید بوده است و دانشمندان به طور مداوم به دنبال روش های جدید برای توسعه سیستم های تولید انرژی کارآمد هستند.

سلول خورشیدی چیست؟

سیستم های برق پنل خورشیدی که به عنوان سیستم فتوولتائیک (PV)  نیز شناخته می شوند، انرژی خورشید (فوتون) را جذب کرده و آن را به الکتریسیته تبدیل می کنند. سلول‌های PV از لایه‌هایی از مواد نیمه‌رسانا ساخته شده‌اند و هنگامی که در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند، یک میدان الکتریکی در سراسر لایه‌ها ایجاد می‌کنند. هنگامی که نور به سلول می رسد، مقداری از آن جذب مواد نیمه رسانا می شود و باعث می شود الکترون ها شکسته شوند و جریان پیدا کنند. این جریان الکترون ها یک جریان الکتریکی است که می توان آن را بیرون کشید و برای تامین انرژی دستگاه های بیرونی استفاده کرد. این جریان، همراه با ولتاژ سلول (در نتیجه میدان های الکتریکی داخلی)، توانی را که سلول خورشیدی قادر به تولید آن است، مشخص می کند. شایان ذکر است که یک سلول PV می تواند بدون تابش مستقیم نور خورشید برق تولید کند حال توجه به این نکته ضروری است که با افزودن گرافن در سلول خورشیدی خواص و بهره وری ان چندین برابر می شود.

گرافن در سلول های خورشیدی

گرافن، ورقه کربنی با ضخامت یک اتم، ماده نسبتا جدیدی است که به دلیل قابلیت های کارآمد خود مورد توجه قرار گرفته است. این ماده بسیار قوی و تقریباً کاملاً شفاف به طرز شگفت انگیزی رسانا و انعطاف پذیر است. گرافن از زمان توسعه خود به عنوان قوی ترین و سبک ترین ماده جهان از انتظارات و معیارهای قبلی فراتر رفته است.

گرافن در سلول خورشیدی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردش برای کاربرد بالقوه‌اش در توسعه این محصول مورد توجه قرار گرفته است.

سلول های خورشیدی به موادی نیاز دارند که رسانا باشند و به نور اجازه عبور دهند، بنابراین از رسانایی و شفافیت عالی گرافن بهره مند می شوند. گرافن در واقع یک رسانای عالی است، اما در جمع آوری جریان الکتریکی تولید شده در داخل سلول خورشیدی چندان خوب نیست. از این رو، محققان به دنبال راه های مناسب برای اصلاح گرافن برای این منظور هستند. برای مثال، اکسید گرافن (GO)، رسانایی کمتری دارد اما شفاف‌تر است و جمع‌کننده شارژ بهتری است که می‌تواند برای پنل‌های خورشیدی مفید باشد.

اکسید قلع ایندیم رسانا (ITO)  با یک لایه شیشه ای غیر رسانا به عنوان الکترودهای شفاف در اکثر پنل های خورشیدی آلی برای دستیابی به این اهداف استفاده می شود، اما ITO کمیاب و شکننده است و پنل های خورشیدی را گران می کند. بسیاری از تحقیقات بر روی گرافن به عنوان جایگزینی برای ITO در الکترودهای شفاف OPV تمرکز دارند. همچنین پژوهشگران به دنبال راه‌هایی برای استفاده از گرافن در بهبود عملکرد کلی دستگاه‌های فتوولتائیک، عمدتاً OPV، و همچنین در الکترودها، لایه‌های فعال، لایه‌های سطحی و گیرنده‌های الکترون هستند.

سلول های خورشیدی حساس به رنگ مبتنی بر گرافن

محققان کارایی گرافن را در سلول های خورشیدی با استفاده از آن بر روی یک سلول فتوولتائیک لایه نازک که به عنوان سلول خورشیدی حساس به رنگ شناخته می شود، بررسی کرده اند. سلول خورشیدی را با افزودن ورقه ای از گرافن و پوشاندن آن با اکسید قلع ایندیم و پوشش شفاف پلاستیکی تغییر دادند.

استفاده از گرافن در سلول خورشیدی فناوری جدیدی نیست، زیرا از آن به عنوان پوشش غیر بازتابنده برای سلول های خورشیدی استفاده شده است.

سلول های خورشیدی شفاف و انعطاف پذیر

محققان تکنیک جدیدی را با استفاده از گرافن در سلول های خورشیدی ایجاد کردند که می توانند روی سطوح مختلف از شیشه گرفته تا پلاستیک و کاغذ و نوار نصب کنند. این سلول های خورشیدی قادر هستند بر روی تنوع زیادی از وسایل اطراف ما همچون پنجره ها، دیوارها، تلفن های همراه، لپ تاپ ها و موارد دیگر نصب شوند. اخیرا یک سلول خورشیدی انعطاف پذیر و شفاف جدید در MIT ساخته شده است.

این دستگاه مواد آلی ارزان قیمت (حاوی کربن) را با الکترودهای گرافن ترکیب می کند، ماده ای انعطاف پذیر و شفاف که از منابع کربن ارزان و فراوان ساخته شده است. این پیشرفت در فناوری خورشیدی با روشی جدید برای رسوب یک لایه گرافن به ضخامت یک اتم بر روی سلول خورشیدی بدون آسیب رساندن به مواد آلی حساس امکان پذیر شد. تا به حال، توسعه دهندگان سلول های خورشیدی شفاف به طور معمول بر روی الکترودهای گران قیمت و شکننده تکیه می کردند که در هنگام خم شدن دستگاه تمایل به ترک خوردن داشتند. توانایی استفاده از گرافن به جای آن، سلول های خورشیدی کاملا انعطاف پذیر، کم هزینه و شفاف را امکان پذیر می کند که می توانند تقریباً هر سطحی را به منبع انرژی الکتریکی تبدیل کنند.

سلول های خورشیدی فتوولتائیک ساخته شده از ترکیبات آلی مزایای مختلفی را نسبت به سلول های خورشیدی سیلیکونی معدنی امروزی ارائه می دهند. ساخت آنها ارزان تر و راحت تر خواهد بود. آنها به جای سنگین، صلب و شکننده، سبک وزن و انعطاف پذیر خواهند بود، و بنابراین حمل و نقل آنها از جمله به مناطق دورافتاده بدون شبکه برق مرکزی آسان تر خواهد بود. همچنین آنها می توانند شفاف باشند. بسیاری از مواد آلی اجزای فرابنفش و مادون قرمز نور خورشید را جذب می‌کنند، اما قسمت مرئی را که چشم ما می‌تواند تشخیص دهد، منتقل می‌کند. بنابراین سلول های خورشیدی آلی را می توان بر روی سطوح اطراف نصب و بدون توجه به آنها انرژی برداشت کرد.

چالش های گرافن در سلول خورشیدی

دو مشکل کلیدی پذیرش عمده الکترودهای گرافن را کند کرده است.

اولین مشکل، رسوب الکترودهای گرافن بر روی سلول خورشیدی است. بیشتر سلول های خورشیدی بر روی لایه هایی مانند شیشه یا پلاستیک ساخته می شوند. الکترود گرافن پایینی مستقیماً روی آن بستر رسوب می‌کند سپس لایه های دیگر اضافه می شوند و به الکترود گرافن بالایی ختم می شوند. اما قرار دادن آن الکترود بالایی روی سطح به اصطلاح لایه روزنه انتقال (HTL)  مشکل است.

دومین مشکل استفاده از گرافن این است که دو الکترود باید نقش های متفاوتی را ایفا کنند. اما در سلول خورشیدی، فقط یکی از الکترودها باید اجازه دهد که الکترون‌ها به راحتی از آن خارج شوند. در نتیجه، ساخت هر دو الکترود از گرافن مستلزم تغییر تابع کاری یکی از آنها است تا الکترون‌ها بدانند به کدام سمت بروند و تغییر عملکرد کار هر ماده‌ای ساده نیست.

در حال حاضر با وجود چالش های موجود برای استفاده از گرافن در سلول های خورشیدی، به دلیل مزایای متعدد گرافن، تحقیقات گسترده در دانشگاه های دنیا و تحقیق توسعه صنایع در زمینه افزودن گرافن در سلول های خورشیدی ادامه دارد و تاکنون پیشرفت های چشمگیری در این زمینه حاصل شده است.

منبع:

Use of Graphene for Solar Cells