سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک یک قطعه الکترونیکی حالت جامد است که درصدی از انرژی نور خورشید را، مستقیما توسط اثر فوتوولتاییک که پدیده‌ای فیزیکی و شیمیایی است، به الکتریسیته تبدیل می‌کند.

سلول‌های خورشیدی ساخته شده از ویفر‌های سیلیکون، کاربرد بسیاری دارند. سلول‌های تکی، برای فراهم کردن توان لازم دستگاه‌های کوچک‌تر، مانند ماشین حساب الکترونیکی به کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک، الکتریسیته پایدار و تجدیدپذیری را تولید می‌کنند که عمدتا در موارد عدم وجود شبکه انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال می‌توان به محل‌های دور از دسترس، مانند ماهواره‌های مدارگرد، کاوش گرهای فضایی و ساختمان‌های مخابراتی دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل‌هایی که شبکه توزیع هم موجود است، به منظور کمک به کم کردن تکیه و فشار بر سوخت‌های فسیلی و دیگر دشواری‌های محیط زیست و نیز از دیدگاه اقتصادی مرسوم شده‌است. 

امروزه انسان با پیشرفت‌هایی که در زمینه‌های مختلف کرده‌است، نیازی روزافزون به انرژی پیدا کرده و لذا در پی تأمین انرژی مورد نیاز از منابع مختلف تجدید پذیر است.

به گزارش کلیک، از سال ۱۹۶۱ که حد نظری مطلقی به نام محدودیت شاکلی و کوییسر شناخته شده است، که مشخص می کند سلول های خورشیدی قدیمی تا چه اندازه می توانند در تبدیل انرژی خود موثر باشند. برای سلول تک لایه سیلیکونی (که برای اکثریت قریب به اتفاق پانل های خورشیدی امروزی استفاده می شود) بالاترین حد تولید آن حدود ۳۲ درصد است. اما راه های احتمالی نیز برای افزایش بازده کلی وجود دارد، مانند استفاده از لایه های متعدد سلول ها (روشی که به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است) و یا تبدیل نور خورشید به حرارت و بعد تولید انرژی برق.

در روش دوم، از دستگاه های شناخته شده ای به نام فتوولتائیک حرارتی خورشیدی، یا STPVها استفاده می شود، که این تیم در حال حاضر معرفی کرده است.

این نتایج توسط دانشجوی دکتری دیوید بیرمن، استادان اولین وانگ و مارین سولجاکیک، و چهار نفر دیگر که از محققان MIT هستند، این هفته در مجله Nature Energy گزارش شده است.

در حالی که همه پژوهش ها در فتوولتائیک قدیمی با محدودیت های نظری و اساسی مواجه است، بیرمن می گوید: “با فتوولتائیک حرارتی خورشیدی شما این امکان را دارید از این محدودیت فراتر روید. در واقع، این نظریه پیش بینی می کند که در اصل این روش (که شامل جفت کردن سلول های خورشیدی معمولی با لایه هایی از مواد با تکنولوژی بالا است) می تواند بیش از دو برابر حد نظری کارایی داشته باشد و این امکان وجود دارد که به طور بالقوه ای قدرت دو برابر از منطقه ای مشخص در پانل های خورشیدی ارائه دهد.

به دلیل راندمان بالا تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی دستگاه STPV در مقایسه با به سلول PV این کار جدید پیشرفت هیجان انگیزی در این زمینه به وجود خواهد آورد. برای نشان دادن این امر محققان از سلول PV نسبتا کم بازده استفاده کردند (به طوری بازده کلی سیستم ۶٫۸ درصد بود) اما در مقایسه ای مستقیم به وضوح نشان داد که سیستم STPV اثر بخشی بیشتری دارد.

قاعده اساسی این کار ساده است: به جای اتلاف انرژی خورشیدی غیر قابل استفاده به صورت گرما در سلول های خورشیدی، همه انرژی و گرما اول توسط جزء میانی جذب می شود، تا به دمایی برسد که اجازه دهد آن جزء، تابش حرارتی را منتشر کند. با تنظیم مواد و پیکربندی این لایه های اضافه شده، این امکان وجود دارد که آن تابش را به صورت طول موج مناسب نور انتشار دهد تا سلول های خورشیدی آن را دریافت کنند. این بهره وری را افزایش و حرارت تولید شده در سلول های خورشیدی را کاهش می دهد.

آنچه قابل اهمیت است استفاده از موادی با تکنولوژی بالا به نام کریستال نانونوری است، که می تواند برای انتشار طول موج دقیقا مشخص نور در هنگام حرارت به کار آید. در این آزمایش، کریستال های نانونوری در سیستمی با نانولوله های کربنی هم تراز به صورت عمودی گنجانده می شوند، و در درجه حرارت بالا ۱۰۰۰ درجه سلسیوس عمل می کنند. هنگامی که حرارت داده می شود، کریستال های نانونوری به انتشار نوار باریکی از طول موج های نور ادامه می دهند که دقیقا منطبق بر نواری است که سلول فتوولتائیک مجاور می توانید بگیرد و تبدیل به جریان الکتریکی کند. نانولوله های کربنی در واقع جاذب مناسب در طیف کامل رنگ هستند و اجازه می دهد که آن طیف کامل خورشیدی را بگیرد. همه انرژی فوتون ها تبدیل به حرارت می شود. سپس، آن حرارت دوباره به عنوان نور ساطع می شود، اما به لطف ساختار نانونوری، فقط تبدیل به رنگ هایی می شود که با اوج بهره وری سلول PV مطابقت دارند.

این دستگاه فوتونی انتشارها را بر اساس حرارت به جای نور تولید می کند به معنی که تحت تاثیر تغییرات مختصر در محیط، مانند عبور ابرها از مقابل نور خورشید نخواهد بود. در واقع، اگر با سیستم ذخیره سازی حرارتی همراه شود، می تواند در اصل روشی را برای استفاده از انرژی خورشیدی در هر ساعت از شبانه روز (روز و شب) ارائه دهد.

برای اثبات عملکرد این سازه، محققان آزمایش را با استفاده از سلول فتوولتائیک با اجزای STPV اجرا کردند، اول زیر نور مستقیم آفتاب و بعد زمانی که نور خورشید مسدود شده بود، به طوری که تنها انتشار های ثانویه از کریستال فوتونی سلول را روشن می کرد.

محققان با انجام این کار نشان دادند فقط هندسه بهینه سازی شده خود در واقع توانستند محدودیت شاکلی و کوییسر را بشکند.

گام های بعدی عبارتند از یافتن راه هایی برای ساخت نسخه های بزرگتر از واحد آزمایشی کوچک، و ایجاد راه هایی برای تولیداقتصادی چنین سیستم هایی است.

منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم‌بندی‌ها در زمینه سلول‌های خورشیدی دیده می‌شود. سلول‌های خورشیدی را می‌توان به سه نسل تقسیم کرد که سلول‌های خورشیدی آلی یا پلیمری از نسل جدید و یا سوم هستند.

پلیمرهای مزدوج اخیرا به دلیل قابلیت‌های کاربردی‌شان در ابزارهای الکترونیکی انعطاف ‌پذیری از قبیل دیودهای نشر نور، سلول‌های خورشیدی پلیمری و ترانزیستورهای لایه‌ نازک آلی و همچنین فرایند محلولی و قیمت ارزان آنها مورد توجه ویژه قرار گرفته‌اند. به گونه‌ای که در دانشگاه تربیت مدرس نیز مطالعاتی را در این زمینه اجرایی کردند.

دکتر فرزانه عرب پور از محققان این طرح یکی از روش‌های بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی پلیمری را  استفاده از نقاط کوانتومی و ایجاد یک ساختار نانوکامپوزیتی هیبریدی دانست و افزود: بر این اساس در این طرح سعی شد با بهبود عملکرد نوری و الکتریکی سلول خورشیدی، بازده آن را افزایش دهیم.

وی یادآور شد: بهبود عملکرد این سلول‌ها منجر به استفاده بیشتر از این سامانه‌ها و در نتیجه کاهش آلودگی هوا و هزینه‌های مربوط به مصرف سوخت‌های فسیلی می‌شود.

عرب پور با اشاره به مزایای استفاده از نانوبلورهای نقاط کوانتومی خاطرنشان کرد: به دلیل تنظیم‌ پذیر بودن خواص با ابعاد، پایداری مناسب، قابلیت جذب نور بالا، امکان جذب چندتایی و توانایی شرکت در مراحل فتوولتائیک این نانو ذرات مورد توجه قرار دارند و در تحقیق حاضر، با استفاده از روش شبکه‌ای کردن نانوبلورهای نقاط کوانتومی به‌ وسیله‌ مولکول‌های آلی عامل‌دار، تحرک الکترون در نقاط کوانتومی بهبود یافته و متعاقبا بازده سلول خورشیدی افزایش یافته است.

این محقق با بیان اینکه  شبکه‌ای شدن منجر به کاهش انحلال‌پذیری لایه‌ پلیمر حاوی نقاط کوانتومی می‌شود، یادآور شد: در این پژوهش ابتدا نانوبلورهای نقاط کوانتومی با ابعاد مختلف سنتز شدند و برای ساخت سلول‌های خورشیدی، در ابتدا، زیرلایه‌ طرح‌دار شده با فرایند مناسب شسته شده است.

وی لایه‌ دوم سلول خورشیدی تولیدشده را لایه‌ انتقال‌ دهنده از جنس پلیمر رسانا دانست و اظهار کرد: این لایه به روش لایه نشانی چرخشی با ضخامت 50 نانومتر بر روی زیرلایه قرار گرفت و لایه‌ سوم لایه فعالی است که با استفاده از روش پوشش‌دهی چرخشی لایه‌نشانی ‌شد. برای اعمال عملیات شبکه‌ای کردن، چندلایه ساخته شده در محلولی از عامل شبکه‌کننده در دمای 60 درجه سانتی‌گراد و در محیط خنثی قرار گرفت.

این دانش‌آموخته دانشگاه تربیت مدرس ادامه داد: پس از تکمیل عملیات شبکه‌ای شدن، لایه‌ای 100 نانومتری از آلومینیوم به روش لایه‌نشانی تبخیری بر روی لایه‌ها نشانده و ساخت سلول تکمیل شد، سپس سلول برای مشخصه‌یابی تحت تابش خورشید قرار گرفته و بازدهی آن محاسبه شده است.

به گفته وی، شبکه‌ای کردن نقاط کوانتومی در ساختار هیبریدی منجر به بهبود انتقال بار در نانوذرات شده است.