دستیابی به رکوردی جدید در بهره‌ وری سلول‌ های خورشیدی

ارایه‌ی یک پیکربندی جدید از سلول‌های خورشیدی توسط مهندسان دانشگاه نیوساوت ولز باعث شده است تا راندمان تبدیل نور خورشید به الکتریسیته به ۳۴.۵ درصد برسد. این درصد در واقع  یک رکورد جهانی جدید برای نور خورشید غیرمتمرکز به شمار می‌رود و یک گام دیگر به محدوده‌های نظری چنین دستگاهی نزدیک‌تر شده است.

 این رکورد توسط دکتر مارک کیورز (Mark Keevers) و پروفسور مارتین گرین (Martin Green) ، که به ترتیب در سمت‌های محقق ارشد و مدیر مرکز UNSW در استرالیا فعالیت دارند ثبت شده است. این مرکز برای پژوهش‌های پیشرفته‌ی فتوولتائیک راه اندازی شده است. سلول‌های فتوولتائیک به سلول‌هایی گفته می‌شوند که با استفاده از نور می‌توانند انرژی تولید کنند. آنها با استفاده از یک ماژول کوچک ۲۸ سانتی‌متر مربعی چهار مفصله که درون یک منشور جاسازی شده بود، توانستند حداکثر مقدار انرژی ممکن را از نور خورشید استخراج کنند. این کار با تقسیم اشعه‌های دریافتی به چهار باند صورت گرفت. در این فرایند با استفاده از یک گیرنده‌ی هیبریدی چهار اتصالی، می‌توان مقدار الکتریسیته‌ی بیشتری را از یکایک پرتو‌های نور خورشید استخراج کرد.

 نتیجه‌ی پژوهش‌های جدید UNSW توسط آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا تایید شده است. بر طبق گزارش‌ها این روش تقریبا ۴۴ درصد از رکورد قبلی بهتر است. رکورد پیشین مربوط به دستگاه‌های آلتا (Alta) از ایالات متحده آمریکا بودند، که بهره‌وری ۲۴ درصد برایشان به ثبت رسیده است. اما نکته‌ی مهمی که وجود دارد این است که آن دستگاه‌ها در یک سطح بزرگتر و در یک سطح ۸۰۰ سانتی‌متر مربعی به این بهره‌وری رسیده بودند. کیورز در این باره چنین گفت:

این نتیجه‌ی دلگرم‌کننده نشان می‌دهد که هنوز هم جای پیشرفت در تحقیقات فتوولتائیک وجود دارد و می‌تواند ما را به سمت ساخت سلول‌های خورشیدی کارآمدتر نیز هدایت کند. استخراج انرژی بیشتر از هر پرتو نور خورشید برای کاهش هزینه‌های نهایی برق تولید شده بسیار حیاتی است. این کار هزینه‌های نهایی ایجاد شده توسط سلول‌های خورشیدی را کاهش داده و سرمایه‌گذاری مورد نیاز را کمتر کرده و روند بازگشت هزینه‌ها را نیز سریع‌تر می‌کند.

گفتنی است که این نتیجه توسط همان تیمی از UNSW ثبت شد که یک رکورد جهانی را نیز در سال ۲۰۱۴ ثبت کرده بودند. آنها با استفاده از آینه‌هایی به منظور تمرکز نور، توانسته بودند تا به نرخ تبدیل برق بیش از ۴۰ درصد دست یابند. آن روش در واقع یک تکنیک شناخته شده است و اکنون با عنوان CPV به معنای سلول‌های فتوولتائیک متمرکز، شناخته می‌شود. آنها پس از آن مرحله به همین ترتیب طول موج‌های مختلف نور را نیز تقسیم‌بندی کردند. با این حال، نتایج جدید، با استفاده از نور خورشید نرمال و بدون متمرکزکننده‌های نوری به دست آمده‌اند. گرین، یکی از پیشگامان این زمینه که بیش از ۴۰ سال کار خود را در UNSW صرف پژوهش کرده در این باره می‌گوید:

نکته‌ی جالب توجه این است که برای سال‌های بسیاری، این سطح از بهره‌وری به هیچ عنوان انتظار نمی‌رفت. در مطالعه‌ی اخیری که توسط مرکز آگورا انرژی‌وند (Agora Energiewende) در آلمان انجام شد، اتاق فکر مربوط با این برنامه طی یک هدف جسورانه رسیدن به بهره‌وری ۳۵ درصد را در سال ۲۰۵۰ برای یک ماژول بدون استفاده از نور خورشید متمرکز در نظر گرفته بود. این ماژول در واقع همانند ماژول‌هایی است که به طور استاندارد در خانه‌ها تنظیم شده است.

وی همچنین افزود:

بنابراین باید بگوییم که همه چیز در زمینه‌ی سلول‌های خورشیدی بسیار سریع‌تر از سطح انتظار بسیاری کارشناسان در حال پیشرفت بوده و این خبر خوبی برای صنعت انرژی خورشیدی است. اما ما باید سرعت پژوهش‌های فتوولتائیک در استرالیا را در همین سطح حفظ کنیم تا به این اطمینان برسیم که نه تنها در به دست آوردن چنین نتایج فوق العاده‌ای موفق بوده‌ایم، بلکه در ادامه نیز می‌توانیم مزایای عملی در این زمینه‌ را نیز برای استرالیا به ارمغان آوریم.

 به گفته‌ی گرین، تحقیقات استرالیا در زمینه‌ی سلول‌های فتوولتائیک در حال حاضر توانسته است تا سودی بیش از ۸ میلیارد دلار را برای این کشور حاصل کند. پیش بینی می‌شود که فقط سودهای حاصل از بهبود بهره‌وری به دست آمده توسط سلول‌های PERC مرکز UNSW بتوانند صرفه‌جویی به اندازه‌ی ۷۵۰ میلیون دلار را در تولید برق خانگی در دهه‌ی آینده برای استرالیا به ارمغان بیاورند. گفتنی است که سلول‌های PERC در مرکز UNSW اختراع شده‌اند و اکنون در حال تبدیل شدن به استاندارد تجاری در سطح جهان برای سلول‌های خورشیدی هستند.

 مینی‌ماژول رکوردساز UNSW به صورت ترکیبی از یک سلول سیلیکونی در یک سوی یک منشور شیشه‌ای، با یک سلول خورشیدی دارای سه محل اتصال در طرف دیگر. منشور ساخته شده است. اتصال سه‌گانه باندهای مجزای نور خورشید ورودی را با استفاده از ترکیبی از سه لایه به این صورت هدف قرار می‌دهد: ایندیم-گالیم-فسفید؛ ایندیم-آرسنید-گالیوم؛ و ژرمانیم. هنگامی که نور خورشید از هر یک از لایه‌ها عبور می‌کند، انرژی آن توسط هر یک از اتصال‌ها در کارآمدترین طول موج آن استخراج شده و در ادامه بخش استفاده نشده از نور به لایه‌ی بعدی می‌رسد و همین روند برای آن ادامه می‌یابد.

 برخی از باند‌های مادون قرمز نور خورشید ورودی که توسط سلول سه اتصالی استفاده نشده‌اند، روی سلول سیلیکونی فیلتر شده و منعکس می‌شوند. در نتیجه، تقریبا همه‌ی انرژی هر یک از پرتو‌های نور خورشیدی که با مینی ماژول برخورد کنند طی این فرایند استخراج می‌شود.

 نتیجه‌ی ۳۴.۵ درصدی با مینی‌ماژول ۲۸ سانتی‌متر مربعی در حال حاضر یک رکورد جهانی به شمار می‌رود. اما گسترش آن به یک مقیاس بزرگتر ۸۰۰ سانتی‌متر مربعی باعث می‌شود تا نتیجه‌ای فراتر از ۲۴ درصد ثبت شده برای دستگاه‌های آلتا به دست آید که طبیعتا یک جهش خوب و مقرون به صرفه به شمار می‌رود. کیورز در این باره گفت:

احتمالا برخی اتلافات نهایی از اتصال مقیاس بالا وجود خواهد داشت، اما ما تا اکنون پیشرفت خیلی خوبی داشته‌ایم و فکر می‌کنیم که ادامه‌ی روند هم به طور کامل امکان پذیر است.تصور می‌شود که حد نظری برای چنین دستگاهی از نوع چهار اتصالی آن، به مقدار ۵۳ درصد باشد. با این فرض می‌توانیم نتیجه بگیریم که بهره‌وری به دست آمده توسط NUSW حدود دوسوم این مقدار را کسب می‌کند.

 بعید است که سلول‌های خورشیدی چنداتصالی از این نوع بتوانند به این زودی بر روی پشت بام خانه‌ها و ادارات استفاده شوند. زیرا آنها در حال حاضر نیاز به تلاش بیشتری برای تولید دارند و در نتیجه هزینه‌ی تمام‌شده برای آنها بیش از سلول‌های سیلیکونی کریستالی استاندارد با یک اتصال است. اما تیم UNSW در حال کار روی تکنیک‌های جدید برای کاهش پیچیدگی تولید این سلول‌ها و ایجاد سلول‌های چنداتصالی ارزان‌تر هستند.

 با این حال، رهیافت تقسیم طیف برای برج‌های خورشیدی مناسب است. از این دست برج‌ها می‌توان به مواردی اشاره کرد که توسط مرکز RayGen استرالیا در حال گسترش هستند و با استفاده از آینه‌ها نور خورشید را متمرکز کرده و پس از آن به طور مستقیم آن را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند.

این تحقیق آژانس استرالیا انرژی‌های تجدید پذیر(ARENA) با بودجه‌ی ۱.۴ میلیون دلاری حمایت می‌شود. مدیر عامل این شرکت، ایور فریشکنکت (Ivor Frischknecht) در باره‌ی این پروژه گفت:

این دستاورد نشانگر اهمیت حمایت از مراحل اولیه فناوری‌های مرتبط با انرژی‌های تجدیدپذیر است.

وی همچنین گفت:

 استرالیا در حال حاضر بالاتر از حد نرمال آن تحقیق و توسعه‌ی انرژی خورشیدی سرمایه‌گذاری می‌کند و به عنوان یک پیشتاز جهانی در زمینه‌ی نوآوری‌های خورشیدی شناخته شده است. این یافته‌های اولیه به طور فزاینده‌ای این امکان را برای استرالیا فراهم می‌کند که سود سهام خورشیدی خود را برگرداند و استرالیا را در بازارهای صادراتی این فناوری مطرح کند. با این تکنولوژی رکوردساز، به نظر می‌رسد که هیچ دلیلی برای عدم تحقق این ایده وجود نداشته باشد.

 او اشاره کرد که تیم UNSW در حال کار با یک شرکت دیگر تحت حمایت ARENA با نام RayGen است. این همکاری برای کاوش درباره‌ی چگونگی استفاده از گیرنده‌های پیشرفته در نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتائیک انجام می‌شود.

 با انجام حمایت‌های مناسب‌، اکنون استرالیا در زمینه‌ی تحقیق و توسعه‌ی این فناوی در جهان پیشرو است. در نتیجه‌ی این حمایت‌ها، شاهد بهبودهایی در سطح امکانات خورشیدی مورد استفاده در خانه‌ها هستیم که از این میان می‌توان به پروژه‌هایی اشاره کرد که توسط ARENA پیش برده می‌شوند و مبلغ بیش از ۱۰۰ میلیون دلار برای آنها اختصاص داده شده است. 

در دراز مدت، این فناوری‌های نوین نیز به احتمال زیاد فضای کمتری را در پشت بام‌ها و زمین‌هایمان اشغال خواهند کرد. کمپانی ترینا سولار نیز یکی از دیگر شرکای پژوهشی بود که در این پژوهش‌ها با UNSW همکاری می‌کردند. این کمپانی تولیدکننده‌ی ماژول PV است. همچنین گفتنی است که آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر ایالات متحده نیز در این کار مشارکت داشتند.