نانوپایه‌های نیمه‌هادی در پیل‌های خورشیدی ارزان

محققان آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی و دانشگاه کالیفرنیا، در آمریکا، روش جدیدی برای ساخت پیل‌های خورشیدی مؤثر از نانومواد انعطاف‌پذیر و ارزان‌قیمت، توسعه داده‌اند. در این روش نیمه‌هادی‌هایی که از نظر نوری فعال هستند، به شکل آرایه‌ای از نانوپایه‌‌ها (هر کدام یک بلور منفرد) رشد می‌یابند. در پیل‌های خورشیدی انرژی نور به حفره‌ها (عدم حضور الکترون) و الکترون‌های حامل بار تبدیل می‌شود. این حامل‌های بار برای تولید یک جریان الکتریکی درون الکترودها جریان می‌یابند. در مقایسه با یک پیل خورشیدی دوبعدی، آرایه‌ای از نانوپایه‌ها برای جمع‌آوری نور خورشید سطح ویژه‌ی بسیار بالاتری دارند.

نانوپایه‌های نیمه‌هادی که روی یک بستر انعطاف‌پذیر قرار گرفته‌اند.

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان داده‌اند که آرایه‌هایی از نانوپایه‌های نیمه‌هادی در مقایسه با سطوح مسطح، به نور حساس‌تر هستند و توانایی در جداسازی الکترون‌ها از حفره‌ها را به شدت افزایش می‌دهند؛ بنابراین یک جمع‌کننده‌ی مؤثرتری از این حامل‌های بار هستند. متاسفانه پیل‌های خورشیدی مبتنی بر نیمه‌هادی‌های پایه‌ای‌شکل‌ِ ساخته شده با روش‌های قبلی راندمان تبدیل نور به الکتریسیته‌ی پایینی(کمتر از یک یا دو درصد) دارند. اکنون علی جاوی و همکارانش برای ساخت ماجول‌هایی از آرایه‌های بسیار منظم و متراکمِ نانوپایه‌های تک‌بلوری، به طریق کنترل‌شده و جدیدی از روشی معروف به فرایند"بخار- مایع- جامد" استفاده کرده‌اند. آنها داخل یک کوره کوارتز نانوپایه‌هایی از سولفید کادمیومِ غنی از الکترون روی یک ورقه‌ی آلومینیومی رشد دادند. روی این ورقه‌ی آلومینیومی خلل و فرج یکنواختی با استفاده از روش آندیزاسیون ایجاد شده بود که به‌عنوان قالب عمل می‌کردند. در همان کوره، آنها این نانوپایه‌ها را به محض تشکیل، در یک لایه‌ی نازکی از تلورید کادمیومِ غنی از حفره، غوطه‌ور کردند. این لایه نازک به‌عنوان یک پنجره برای جمع‌آوری نور عمل می‌کرد. این دو ماده در تماس با همدیگر یک پیل خورشیدی تشکیل دادند که راندمان آن از اکثر پیل‌های خورشیدی مبتنی بر مواد نانوساختار بیشتر بود. نتایج این تحقیق در مجله‌ی Nature Materials منتشر شده است.

نسل جدید پیل‌های خورشیدی

نسل جدیدی از پیل‌‌‌‌های خورشیدی میلی‌متری نانوساختار که می‌‌‌‌توانند انرژی خورشیدی را با دوبرابر بازده فناوری کنونی به الکتریسیته تبدیل کنند، موضوع نمایشگاه کالج سلطنتی لندن هستند. این برنامه که با عنوان «یک کوانتوم از خورشید» در نمایشگاه علوم تابستانی انجمن سلطنتی در سال 2009 برگزار می‌‌‌‌گردد، برای عموم قابل مشاهده است.

بازدیدکنندگان از این نمایشگاه می‌توانند در حضور مهندسان انرژی خورشیدی دست به کار شده، با استفاده از منشورها عملاً مشاهده کنند که چه میزان توان الکتریکی به‌وسیله‌ی رنگ‌‌‌‌های مختلف در درون طیف نور، قابل تولید است. این نمایشگاه را دکتر ند اکینس ـ داوکس (یکی از محققان گروه فیزیک و موسسۀ تغیرات آب و هوایی گرانتام) هدایت می‌کند، او نخستین کسی است که در این نمایشگاه به ارائۀ خلاصه مقالات می‌‌‌‌پردازد.

نمایشگاه «یک کوانتوم از خورشید»، به بررسی فناوری نسل سوم پیل‌‌‌‌های خورشیدی می‌‌‌‌پردازد؛ این پیل‌‌‌‌ها در نانومقیاس طراحی شده، نسبت به پانل‌‌‌‌های خورشیدی سیلیکونی کنونی توان جذب میزان بیشتری از انرژی خورشیدی را دارند؛ زیرا آنها شامل لایه‌‌‌‌های مختلفی از مواد بوده، می‌‌‌‌توانند طیف وسیع‌‌‌‌تری از رنگ‌‌‌‌ها را جذب نمایند. در این شیوه با هدف‌‌‌‌ گرفتن رنگ‌‌‌‌های مختلف نور خورشید به‌صورت مجزا، بیشتر انرژی خورشیدی جذب و ساخت پیل‌‌‌‌های خورشیدی بسیار مؤثرتر ممکن می‌‌‌‌گردد.

حاضران در این نمایشگاه قادر خواهند بود تا این اصل را از طریق قرار دادن یک پیل خورشیدی در خلال نوری که منشور تجزیه می‌کند، عملاً مشاهده کنند. آنها به این شکل می‌‌‌‌توانند ببینند چگونه هر رنگ قادر به تولید مقدار متفاوتی از انرژی است، همچنین این فرصت را خواهند داشت تا در نقش مهندسان انرژی خورشیدی ظاهر شده، لنزها و آینه‌‌‌‌های کوچک را بر روی یک بُرد بچینند تا به این شکل یک پرتو نوری را بر روی یک پیل خورشیدی بسیار کوچک متمرکز کنند. این فناوری گونۀ کوچک‌‌‌‌شده‌ای از فناوری خورشیدی‌‌‌‌ است که در صحرا استفاده می‌شود و به نام «سیستم توان متمرکزکننده» معروف است. در این سیستم از نوارهای تشکیل‌شده از آینه‌‌‌‌ها یا لنزها برای متمرکز نمودن نور خورشید بر روی پیل‌‌‌‌های خورشیدی کوچک اما بسیار کارامد استفاده می‌شود.

پانل‌‌‌‌های خورشیدی سیلیکونی ـ که از حدود دهه‌ی 1950 تاکنون مورد استفاده قرار می‌گیرند و نسبتاً نیز ارزان هستند ـ مقدار زیادی از انرژی خورشیدی را هدر داده، با بازده تنها 12 الی 20 درصد عمل می‌‌‌‌کنند. نسل جدید پیل‌‌‌‌های خورشیدی با عنوان «چنداتصاله»، این قابلیت را دارند که عملکرد بسیار بهتری (بازده کنونی 41 درصد) از خود نشان دهند. این در حالی است که به عقیده‌ی دکتر اکینس‌ـ داوکس این بازده در عرض یک دهه به 50 درصد خواهد رسید.

در حالی که هم‌اکنون استفاده از فناوری نانو در ساخت این پیل‌‌‌‌های خورشیدی جدید مقرون‌به‌صرفه نیست (14 دلار در هر سانتی‌متر مربع)، یک سیستم متمرکزکننده‌ی خورشیدی با استفاده از آینه‌‌‌‌های ارزان، نور خورشید را جمع‌‌‌‌آوری و متمرکز می‌‌‌‌کند و به این ترتیب فرایند تولید الکتریسیته مقرون‌به‌صرفه خواهد بود.

در سال 2007، کالج سلطنتی لندن یک شرکت به نام کوآنتاسول تأسیس نموده‌است. اخیراً این شرکت یک پیل خورشیدی تک‌‌‌‌اتصاله‌ی کارامد ابداع کرده که در این نمایشگاه به نمایش کشیده شده‌است