انرژی خورشیدی؛یک دقیقه نور،یک سال انرژی

شماره ی ششم نشریه اکسیر

نازنین احمدی/کسری سربندی

از سال 2018 تا به الان، استفاده از انرژی هاى پاک نسبت به سوخت های فسیلی بسیار به صرفه تر به حساب مى آيد. اين در حاليست كه شيميدانان باور دارند وسايل امروزى، بنزین را با حداكثر بازدهی ممكن مصرف مى كنند ، پس با در نظر گرفتن هزينه ها و ضرر هاى آن براى محيط زيست و اينكه بازدهى دستگاه هاي مربوط به سوخت هاى فسيلى، هنوز به حداكثر مقدار خود نرسيده اند، اين سوخت ها بدون شك گزينه ى بهترى هم خواهند شد.

در کشور هاى پيشرفته تر،استفاده از اين سوخت ها مدت هاست كه شروع شده و برنامه هاى زيادى هم براى افزايش استفاده از آن ها وجود دارد؛ در حال حاضر در اروپا حدود 18% انرژی مصرفى، از سوخت هاى پاک تامین می شود که به نسبت ميانگين جهانى، شروع بسيار خوب و چشمگيرى است. يا براى مثال، آلمان که ذخایر زغال بسيار زیادی دارد و حدود یک سوم انرژی مصرفی خود را از آن بدست می آورد، برنامه دارد كه تا ٢٠ سال آینده، انرژی پاک را جایگزین انرژى حاصل از زغال کند؛ پس با این اوصاف، ما هم به عنوان يكى از ساكنان زمين، بهتر است خيلى بیش از پيش به دنبال راهکارهایی براى جايگزين کردن سوخت هاى فسيلى با انرژی هاى پاک، در سطح وسيع و كشورى باشيم.

انرژی خورشیدى؛ يك گزينه ى مناسب :

خورشید ، ستاره ای با اندازه تقریبا متوسط ، یک راکتور همجوشی است. زمین مقدار باورنکردنی انرژی از خورشید دریافت می کند. براى اينكه یک تصور كلى از پتانسيل خارق العاده ى استفاده از اين انرژى داشته باشيم، خوب است اين تخمين هاى دانشمندان را بدانيم:

• براى تامين انرژى مورد نیاز تمام انسانها به مدت یکسال ، تنها مقدارانرژيى که به مدت یک دقیقه از خورشید دریافت می شود، کافیست.

• در طول یک روز، انرژى مورد استفاده جمعيت كنونى زمين ، برای تقریبا 27 سال تأمین می شود.

• تمام انرژی ذخیره شده در منابع انرژی فسیلی در دسترس، معادل انرژى تابش سه روز خورشيد به زمين است.

انرژی خورشیدی یک منبع رایگان و پایان ناپذیر است ، واستفاده ى گسترده از آن كه در برخى كشورها وجود دارد، ایده ی نسبتاً جدیدی است. با توجه به اینکه اولین سلول هاى خورشیدی كاربردى، کمتر از 30 سال پیش ساخته شده اند، تكنولوژيى هايى كه تا به امروز به آن رسيديم، دستآورد هاى بسيار بزرگى هستند.

حالا كه دانشمندان، بعد از كشف ترانزیستور و با استفاده از فنآوری نیمه رساناها ، به علم توليد پنل هاى خورشيدى جدید و به صرفه براى خانه ها دست يافتند، ديگر بهانه اى براى انجام ندادن اين كار وجود ندارد. اين پنل هاى فتوولتائیک، مزيت هاى زيادى دارند و یکی از امیدوار کننده ترین منابع انرژی تجدید پذیر در جهان به شمار مى رود . از جمله اين مزيت ها، مى توان به اين نكات اشاره كرد:

•الكتريسيته ى تهيه شده از آن، براى محيط زيست هيچ ضررى ندارد و كاملا جزو سوخت های سبز است. (نكته اى كه خيلى مهم هست و با گذشت زمان و سبك زندگى هاى امروزى، مهم تر هم خواهد شد.)

• نيازى به نصب گسترده ندارد و مى تواند در هر خانه به طور جداگانه نصب شود.

• ساكت هستند و فضای زیادی اشغال نمیکنند.

• طول عمر پيش بينى شده اى حدود ٢٠-٣٠ سال دارند و در دوران استفاده، نياز به هزينه ديگرى ندارند.

• نياز چندانى به مراقبت و چك كردن ندارد.

• احتمال شكستن آن ها پايين است.

• قابلیت نصب دروسايل مختلفی مثل کیف، ماشین حساب، كولر و… را دارا هستند که با این کار، بدون نیاز به هيچ دستگاه دیگرى برق تولید می شود و وسایل، از آن براى تامين انرژى خود يا ذخيره ی برق استفاده مى کنند.

اين نكته هم حائز اهميت هست كه نصب سلول خورشیدی ، براى روستا ها و شهرك هايى كه به نيروگاه هاى برق دسترسى ندارند (همانند برخی از کشورهای جهان سوم) خيلى كاربردى تر و به صرفه تر از انتقال برق كه نسبتا پرهزينه است، مى باشد.

البته سلول هاى خورشيدى، علاوه بر اين نكات مثبت، دو عيب اساسی نيز دارند:

١• مقدار نور خورشيد : كه موقعیت جغرافیایی، فصلو مقدار ابرها ، استفاده از آن را محدود مى كنند.

٢• هزینه تجهیزات : متخصصان هنوز به دنبال راه هايى هستند كه بهره بردارى از انرژى خورشيد را با راندمان بالاتر و مواد در دسترس تر انجام بدهند و تا به حال روش هاى گوناگونى ارائه شده ، كه در حال بررسى هستند.

روش كار

سلول خورشیدی به خاطر اثر فتوولتائیک، که یک پدیده فیزیکی و شیمیایی می باشد، انرژی نور را مستقیماً به الكتريسيته تبدیل می کند. این سلول، به عنوان دستگاهی تعریف می شود که خصوصیات الکتریکی آن مانند جریان ، ولتاژ و مقاومت، هنگام قرار گرفتن در معرض نور تغيير می كند. سلول های خورشیدی صرف نظر از داشتن منبع نور خورشید یا نور مصنوعی، فتوولتاییک به حساب مى آيند. چند سلول خورشيدى در كنار هم، ماژول های فتوولتائیک (به عبارتی صفحات خورشيدى) را تشكيل مى دهند كه در صنعت استفاده مى شوند.

تقسيم بندى سلول هاى خورشيدى

سلولهای خورشيدى معمولا بر اساس مواد نيمه رسانايى كه از آن ها ساخته شده اند، نامگذاری می شوند. این مواد، برای اينكه بتوانند نور خورشید را جذب كنند، نياز به يك سرى خواص مشخص دارند. برخی از سلول ها برای استفاده از نوری که به سطح زمین می رسد طراحی شده اند ، در حالی که برخی دیگر، برای استفاده در فضا طراحى شده اند. سلولهای خورشیدی می توانند فقط از یک لایه ى تک ماده جذب کننده نور (با یک اتصال) ساخته شده باشند و یا از چندین لايه با حالات مختلف فیزیکی (با چند اتصال) ساخته شده باشند تا بتوانند از مکانیسم های مختلف جذب و جداسازی بار، استفاده کنند.

سلول های خورشیدی را می توان به سلول های نسل اول ، دوم و سوم نيز طبقه بندی کرد كه به اين صورت تعريف مى شوند:

• سلول های نسل اول که به آن ها سلول های معمولی، سنّتی یا ویفرى نیز گفته مى شود، از سیلیکون بلوری و با استفاده از فناوری غالب تجاری فوتوولتائيك که شامل موادی مانند پلی سیلیکون و سیلیکون تک بلوری است ساخته شده اند.

• سلولهای نسل دوم، سلولهای خورشیدی با لایه ی غشائى نازك هستند که شامل سلولهای سیلیکون آمورف، كادميوم تلورايد واينديوم مس گالميوم سلنيد هستند: سلول هاى نسل دوم، از نظر تجاری به صرفه هستند و در نیروگاههای فتوولتائیک، ساختمان ها و یا به صورت مستقل براى توليد برق، به طور قابل توجهى مورد استفاده قرار گرفته اند.

• سلول هاى نسل سوم، شامل انواعى از فناوری های تک لایه نازک هستند که اغلب به عنوان سلول هاى فتوولتائیک نوظهور توصیف می شوند. بیشتر اين سلولها، هنوز به صورت تجاری استفاده نشده اند و در مرحله تحقیق یا توسعه هستند. در بسیاری از آنها از مواد آلی، مخصوصا ترکیبات آلی فلزی در کنار مواد غیر آلی استفاده می شود. تكنولوژى استفاده شده در اين نسل، هنوز بازدهى و طول عمر نسبتا پايينى دارد؛ اما در حال حاضر تحقيقات زيادى بر روى آن ها انجام مى شود، چون دانشمندان باور دارند اين فناورى ها، آينده ى درخشان سلول هاى خورشيدى را به واقعيت تبديل خواهند كرد.

سلول خورشیدی بر پایه ی فناوری نانو

هر نوع محصول ازسلول خورشیدی که ویژگی‌های آن به کمک فناوری نانو بهبودیافته یا مبتنی بر فناوری نانو باشد، محصول نانویی سلول خورشیدی به حساب می‌آید. تا ابتدای مردادماه 1396، تعداد 196 محصول نانویی سلول خورشیدی موجود در بازارهای جهانی توسط بانک محصولات ثبت شده اند. از لحاظ تعداد برند نانویی عرضه شده در بازار، کشورهای چین، ایالات‌متحده، آلمان، ایتالیا، سوئیس و هند جزو کشور های برتر هستند. در میان تمامی نانومواد به کار گرفته شده، نانوذرات دی‌اکسید ‌تیتانیم، لایه‌های‌ نازک گالیم‌ آرسناید و تلورید‌ کادمیم، فولرن و نانوسیم‌های دی‌اکسید ‌تیتانیم، بیشترین استفاده را جهت ایجاد یا بهبود خواص نانویی داشته‌اند.