سلول های خورشیدی با قابلیت تولید انرژی چند برابر در راهند!

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.

منبع: phys