محققان دانشگاه رجایی موفق به طراحی و شبيه‌سازی سلول خورشيدی با بازده بالا مبتنی بر نانوساختارها شدند.
به گزارش دیده بان علم ایران در حال حاضر بهینه سازی مصرف انرژی در کشور از اهمیت زیادی برخوردار است که در این راستا توسعه انرژی های تجدیدپذیر مد نظر کشورهای مختلف قرار دارد تا با افزایش تحقیقات در این حوزه شاهد رشد سریع آن باشیم. در این میان محققان بسیاری بر روی سلول های خورشیدی در حال تحقیق هستند تا با ارائه نوآوری راندمان این سلول ها را افزایش دهند. با توجه به اینکه سلول های خورشیدی توانایی جذب تمام نور فرودی بر سطح زمین را ندارند بنابراین می بایست راهکارهایی برای افزایش بیشتر جذب نوری آنها اندیشیده شود.
از جمله این راهکارها استفاده از موادی با توانایی جذب بالا به عنوان ماده فعال سلول و همچنین ساختارهای مختلف مبتنی بر نانوساختارها از جمله کریستال های فوتونی، ذرات پلاسمونی جهت افزایش جذب اشاره کرد. بنابراین برای کاهش مصرف انرژی لازم است که تحقیقات موثر و هدفمندی در این زمینه انجام شود.
با این هدف محققان دانشگاه شهید رجایی با پشتیبانی صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران معاونت علمی ” طراحی و شبيه‌سازی سلول خورشيدی با بازده بالا مبتنی بر نانوساختارها” را انجام دادند.
در حال حاضر با وجود پیشرفت های قابل ملاحظه در سلول های خورشیدی لایه نازک هنوز این ساختارها به حد بازدهی سلول های خورشیدی سیلیکونی نرسیده اند. بنابراین در این طرح تمرکز اصلی راه حل پیشنهادی برای افزایش بازدهی، بهبود جذب در سلول زیرین است. بدین صورت که اگر از لایه ای نازک به عنوان لایه فعال استفاده شود میزان زیادی از فوتون های با طول موج بلند بدون جذب از آن عبور کرده و از سلول خارج می شوند بنابراین باید روشی برای بهبود جذب در زیر سلول پایینی ارائه شود. همچنین در صورت قرار گرفتن باندهای میانی داخل زیر سلول پاینی امکان جذب فوتون های با انرژی زیر شکاف باند افزایش یافته و امکان قرار دادن ماده ای با شکاف باند بالاتر از سیلیکن برای نزدیک شدن به زیرباندهای بهینه برای IBSC به وجود می آید.
در این ساختار اولا می توان ولتاژ مدار باز را در حالی که جریان به واسطه استفاده از باند میانی بهبود می یابد در مقدار بالایی حفظ کرد و بعد آنکه می توان با استفاده از دو زیر سلول، یک سلول با چهار شکاف باند ایجاد کرد.
برای حل مشکل جذب در این سلول ها نانو ساختارها پیشنهاد شده اند. قرار دادن نانوساختارها با الگوهای مشخص در لایه فعال سلول خورشیدی نور را در زوایای بزرگتری به داخل سلول پراکنده می کند. یکی از مزیت های استفاده از پلاسمون های سطحی توانایی آنها در تولید میدان الکترومغنتاطیسی قوی است که در فصل مشترک فلز و دی الکتریک به وجود می آید. نانو ذارت فلزی تشدیدهای پلاسمون سطحی محلی را به وجود آورده و توانایی کنترل نور در مقیاس نانو را دارند.
سلول‌های خورشيدی سيليكونی، به هزينه بالايی برای توليد نياز دارند و از موادی با ضخامت حدود ۲۰۰ ميكرون برای تبديل انرژی خورشيدی به الكتريسيته استفاده می‌كنند. بنابراین برای كاهش هزينه، سلول‌های خورشيدی لايه نازك با ضخامت ۱۰۰ تا ۳۰۰۰ نانومتر پيشنهاد شده‌اند.
طی چند دهه گذشته، پيشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در مطالعه رفتار نور در مقياس نانو به‌دست آمده است. اين پيشرفت‌ها در تمام زمينه‌ها از جمله نانوساختارهاي مبتني بر فوتونيك و پلاسمونيك بوده است.
سلول‌های خورشيدی با ساختارهای لايه نازك تك‌پيوندی يا چندپيوندی بهبود قابل توجهي را در بازدهي سبب مي‌شوند. در اين طرح، از موادی با قابليت جذب بالا در يك ساختار پشت‌سرهم يا چندپيوندی استفاده شده است. همچنين ساختارهای پلاسمونی جهت حبس نور در ساختار معرفی شده و داخل سلول قرار می‌گيرند.
مساله ديگری كه در اين طرح مورد بررسی قرار گرفته استفاده از نانوساختارها در زيرسلول پائيني است. نانوساختارها به دليل كوك‌پذير بودن، طيف جذب پهن باندی را نتيجه می دهند و بنابراين با استفاده از آنها، امكان جذب فوتون‌های با طول موج بلند در زيرسلول پائينی افزايش می‌يابد.
از اهداف طرح می‌توان به طراحی ساختاری مناسب برای جذب قسمت اعظم نور فرودی بر سلول، استفاده از ماده‌ای مناسب در لايه فعال سلول، استفاده از نانوساختارهايی كه نور فرودی بر سلول را در داخل ساختار حبس كنند تا زماني‌كه فرآيند جذب رخ دهد … اشاره کرد.
انتهای پیام