مجله آموزشی: سلول‌های خورشیدی سیلیکونی انعطاف‌پذیر با فناوری جدید

سلول‌های خورشیدی سیلیکونی انعطاف پذیر با فناوری جدید توسط چینی‌ها چگونه‌اند؟

دانشمندان چینی که سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سخت را به شکلی الاستیک به نازک و نرمی کاغذ تبدیل کرده‌اند، می‌گویند فناوری ابداع آن‌ها کاربردهای گسترده‌ای در هوافضا، وسایل الکترونیکی پوشیدنی و منابع انرژی قابل حمل دارد.

توسعه سلول‌های خورشیدی با دوام تجاری

در چند سال گذشته، پیشرفت در مواد و ساخت منجر به دستاوردهای چشمگیر در کارایی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی شده است.

آن‌ها اکنون دارای نرخ تبدیل برق ۲۶.۸ درصد هستند که به حد تئوری ۲۹.۴ درصد نزدیک می‌شود.

سلول‌‌های خورشیدی سیلیکونی حدود ۹۵ درصد از سلول‌‌های خورشیدی مورد استفاده در بازار ‌فتوولتاییک را تشکیل می‌دهند. از زمانی که هزینه‌‌های تولید و تولید برق کاهش یافت، آن‌ها به طور گسترده در مزارع خورشیدی زمینی و ‌فتوولتاییک‌‌های توزیع شده مورد استفاده قرار گرفتند.

اما توسعه سلول‌های خورشیدی بادوام تجاری و بسیار کارآمد که سبک وزن، انعطاف‌پذیر و کم‌هزینه هستند – و می‌توانند در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرند – یک چالش است.

سلول‌های خورشیدی لایه نازک فعلی

سلول‌‌های خورشیدی لایه نازک که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند از سیلیکون آمورف، تلورید کادمیوم، مواد آلی و پروسکایت‌‌ها ساخته می‌شوند.

به گفته لیو ونژو، استاد مرکز فناوری انرژی جدید موسسه میکروسیستم و فناوری اطلاعات آکادمی علوم چین در شانگهای (SIMIT) آن‌ها “انعطاف‌پذیری را نشان می‌دهند”.

لیو گفت: “اما استفاده از آن‌ها به دلیل راندمان تبدیل توان پایین آن‌ها محدود است.”

تیم او ساختار نوآورانه‌ای برای سلول‌‌های خورشیدی سیلیکونی ارائه کرده است تا آن‌ها را انعطاف‌پذیر کند – و آن‌ها می‌گویند که این مطالعه نشان می‌دهد تولید انبوه نیز قابل دوام و انجام‌پذیر است.

دانشمندان – از SIMIT، دانشگاه علم و صنعت چانگشا و شرکت نفت عربستان سعودی – یافته‌‌های مطالعه خود را در مجله معتبر Nature در ۲۴ ماه مه ‌منتشر کردند.

این توسعه می‌تواند فرصت‌های جدیدی را در بخش‌هایی مانند الکترونیک پوشیدنی، ارتباطات سیار، انرژی موبایل برای وسایل نقلیه، ‌فتوولتاییک یکپارچه در معماری و هوافضا ایجاد کند.

تحقیقات در راستای توسعه و افزایش توان سلول‌های خورشیدی

این تیم با مشاهده سلول‌های خورشیدی سیلیکونی که تحت تنش خمشی با استفاده از دوربین‌های پرسرعت قرار گرفته‌اند، شروع کردند. آن‌ها دریافتند که ترک خوردن همیشه از یک شیار تیز V شکل در لبه ویفر سیلیکونی شروع می‌شود – منطقه‌ای که آن‌ها به عنوان “نقطه ضعیف” آن تعریف می‌کنند.

درک رفتار شکستگی سلول‌‌های خورشیدی ما را به تغییر ساختار ناحیه لبه ویفر سیلیکونی سوق داد. دی زنگفنگ، نویسنده مسئول این مطالعه، در گزارشی در وب‌سایت SIMIT گفت: ما شیارهای تیز «V» را با شیارهای «U» صاف‌تر جایگزین کردیم، که به‌طور موثر کرنش خمشی را توزیع می‌کند و رفتار شکستگی را سرکوب می‌کند. نتیجه نهایی یک سلول خورشیدی سیلیکونی بسیار کارآمد، سبک و انعطاف‌پذیر است.

لیو ژنگسین، یکی دیگر از نویسندگان مربوطه، در این گزارش گفت که این استراتژی فقط در لبه ویفر مورد استفاده قرار گرفت، بنابراین تاثیری بر بازده تبدیل انرژی سلول خورشیدی ندارد.

او گفت: “با این حال، انعطاف‌پذیری سلول خورشیدی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد، که چشم‌انداز کاربردی گسترده‌ای را ارائه می‌دهد.”

طبق این مقاله، سلول خورشیدی سیلیکونی انعطاف‌پذیری بی‌سابقه‌ای دارد. با اندازه ۶۰ میکرومتر، می‌توان آن را مانند یک ورق کاغذ تا کرد. همچنین می‌تواند خمش مکرر را با شعاع خمش کمتر از ۵ میلی متر و زاویه خم بیش از ۳۶۰ درجه تحمل کند.

دوام این سلول‌ها به چه صورت است؟

محققان همچنین آزمایش دوام را در شرایط مختلف انجام دادند. سلول‌‌ها ۱۰۰ درصد راندمان تبدیل توان خود را پس از ۱۰۰۰ چرخه خمش پهلو به پهلو حفظ کردند. آن‌ها همچنین ۹۹.۶۲ درصد از قدرت خود را پس از چرخه حرارتی بین منفی ۷۰ درجه سانتیگراد (منهای ۹۴ فارنهایت) و ۸۵ درجه سانتیگراد (۱۸۵ فارنهایت) به مدت ۱۲۰ ساعت حفظ کردند.

مقاومت سلول‌های سیلیکونی منعطف

در آزمایش مقاومت در برابر باد، محققان یک ماژول سلولی را به یک کیسه گاز متورم متصل کردند و از یک فن قدرتمند برای مدل‌سازی اثر باد با سرعت ۳۰ متر در ثانیه در طول طوفان شدید استفاده کردند. پس از برخورد مداوم هوا به مدت ۲۰ دقیقه، اتلاف توان نسبی تنها ۳.۰۷ درصد بود که نشان دهنده استفاده بالقوه آن در هوا فضا، مانند بالن‌‌های جاسوسی است.

طبق این گزارش، ماژول‌های ‌فتوولتاییک انعطاف‌پذیر تیم تحقیقاتی قبلا با موفقیت در وسایل نقلیه نزدیک به فضا، ‌فتوولتاییک‌های یکپارچه ساختمان‌ها و ‌فتوولتاییک‌های سوار بر خودرو استفاده شده‌اند.

اما تیم همچنان در مورد فناوری ساخت محتاط عمل می‌کند.

لیو ونژو در این مقاله گفت: «آزمایش‌های بیشتری در محل باید قبل از تولید در مقیاس بزرگ انجام شود تا ثبات پایدار در شرایط عملیاتی واقعی که ممکن است به طور همزمان رخ دهد، تضمین شود».