طراحی یک نوع سلول خورشیدی جدید/ قابل نصب روی کیف های دستی

به گزارش خبرنگار مهر، انرژی خورشیدی منحصر به‌ فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین به شمار می آید. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل شود. با توجه به محدود بودن منابع سوخت های فسیلی و مشکلات ناشی از احتراق این سوخت‌ها مانند آلودگی روز افزون هوا، استفاده از فناوریهای خورشیدی مورد توجه بسیاری از کشورها قرار گرفته و در حال حاضر کشورهای زیادی وجود دارند که به دنبال استفاده از نور خورشید برای تامین انرژی خود هستند.

در همین راستا با یکی از محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر که موفق شدند در زمینه انرژی های خورشیدی فعالیت جدیدی را انجام دهند، گفتگو کردیم. این گفتگو با شعله کاظمی فرد، فارغ التحصیل دانشگاه صنعتی امیرکبیر در رشته شیمی کاربردی، مدیر یکی از مرکز تحقیقاتی زیر نظر وزارت صنعت و مدیر آزمایشگاه کنترل مرکزی زیر نظر سازمان غذا و دارو و سازمان استاندارد انجام گرفته است.

شعله کاظمی فرد در خصوص اهمیت انرژی های خورشیدی به خبرنگار مهر گفت: از میان انواع منابع انرژی تجدید پذیر همچون نور خورشید، باد، آب و زمین گرمایی، انرژی خورشید بعنوان یک منبع بسیار مهم برای کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی و آلودگی های زیست محیطی در نظر گرفته شده است. نور خورشید در محدوده فرابنفش و مرئی انرژی لازم برای تهییج مواد نیمه رسانا را دارد.

کاظمی فرد خاطر نشان کرد:  بر همین اساس سلول های خورشیدی سیلیکونی بعنوان اولین دستگاه های تبدیل مستقیم نور خورشید به الکتریسیته بر پایه پدیده فوتو ولتایی تولید و گسترش یافته اند. این دستگاه‌ها به دلیل استفاده از سیلیکون خالص بسیار گران قیمت هستند؛ اما در جهت کاهش قیمت سلول‌های خورشیدی به ساخت سلولهای خورشیدی برپایه ترکیبات حساس به نور متنوعی اعم از ترکیبات معدنی غیرسیلیکونی، رنگ ها و ترکیبات آلی همچون پلیمرها روی آورده ایم.

وی گفت: سلول های خورشیدی پلیمری همچون دیگر سلول های خورشیدی از دو الکترود و یک لایه فعال تشکیل شده اند و به دلیل مزیت هایی چون مراحل آماده سازی آسان (فراوری در فاز محلول)، هزینه پایین تولید، وزن سبک و انعطاف پذیری مناسب در سال های اخیر توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است.

وی تاکید کرد: لایه فعال و حساس به نور در سلول خورشیدی آلی پلیمری از دو پلیمر رسانای الکترون دهنده و الکترون پذیرنده تشکیل شده که عمدتا بین دو الکترود «ایندیوم قلع اکسید» و «آلومینیوم نازک» ساندویچ می شود. با توجه به انعطاف پذیری سلول های خورشیدی پلیمری این دستگاه ها قابلیت استفاده در مصارف خانگی و صنعتی متنوعی را دارند؛ اما، کاربرد این سلول های خورشیدی بعلت راندمان پایین و تخریب فوتوشیمیایی مواد آلی تشکیل دهنده لایه فعال همراه با محدودیت است.

وی گفت: به منظور برطرف کردن این معایب تحقیقات گسترده ای طی سالهای اخیر در سراسر جهان در سه شاخه « طراحی و سنتز مواد جدید با ویژگی های برتر به منظور کاربرد در الکترودها و لایه فعال»، بهینه ساختن ویژگی های مواد رایج موجود با استفاده از روش های فیزیکی و شیمیایی» و ارائه ساختارها و طراحی های جدید برای این تولید این سلول ها صورت پذیرفته است. بر همین اساس گروه تحقیقاتی سلول خورشیدی پلیمری در دانشگاه صنعتی امیرکبیر تشکیل شد.

 طراحی و ساخت سلول های خورشیدی پلیمری با رنگدانه های آلی لیزری سازگار با محیط زیست 

این محقق خاطر نشان کرد: براساس مطالعات انجام شده، تاکنون طرح مشابهی با پروژه حاضر در دنیا به انجام نرسیده است.

وی در خصوص این پروژه توضیح داد: رنگدانه ها به طور عمده در ساخت سلول های خورشیدی حساس شده به رنگدانه مورد استفاده قرار می گیرند که منجر به بازده و عملکرد مطلوب این نوع سلول های خورشیدی می شوند. همین موضوع ایده ساخت سلول های خورشیدی پلیمری بر پایه رنگدانه قرار گرفت. هرچند که ساختارهای طراحی شده، خاص بوده و به نمونه های موجود شباهتی ندارند.

این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر افزود: برای این منظور دو گروه از رنگدانه های منطقه «فرابنفش» و «ناحیه مرئی»، در حضور پلیمرهای رسانای معمول که در ساخت سلول های خورشیدی پلیمری استفاده می شود (پلیمرهای P۳HT و PCBM) بکار برده شد. خصلت اصلی این رنگدانه ها خصوصیات طول موج جذب و نشر آنهاست. همچنین انتخاب رنگدانه ها طوری صورت می گیرد، بگونه ای که بتواند منجر به انتقال آبشار گونه بار الکتریکی در سلول خورشیدی شود.

وی با اشاره به رنگدانه های به کار رفته شده در این سلول های خورشیدی گفت: رنگدانه های لیزری زیرمجموعه ای از رنگدانه های آلی فاقد فلز هستند که بدلیل عدم وجود فلز در این ساختارها ارزان قیمت تر هستند. رنگدانه های لیزری از لحاظ ساختاری مولکول های آلی بزرگ درنظر گرفته می شوند. هنگامی که این مولکول های آلی در حلال مناسب خود (اتانول، متانول، مخلوط اتانول و آب) حل می شوند، می توانند به عنوان محیط لیزری برای کاربرد در لیزرهای رنگی نیز استفاده شوند.

به گفته کاظمی فرد،  ویژگی رنگدانه های لیزری آن است که محلول آنها نور را در طول موج های کوتاه تر جذب و در طول موج های بلندتر نشر می دهد. از رنگدانه های لیزری موفق می توان به رودامین ها و کومارین ها اشاره کرد. رنگدانه های لیزری تاکنون در ساخت سلول های خورشیدی پلیمری مورد استفاده قرار نگرفته اند ولی کاربرد آنها در DSSC ها مشاهده شده است.

این محقق خاطر نشان کرد: از آنجا که نمونه های ساخته شده با ساختار و رنگدانه های لیزری کاربردی، برای نخستین بار طراحی شده اند، از این رو، ارتقای آنها نیز در همین گروه پژوهشی مورد بررسی قرار گرفته است که با تغییر در ضخامت سلول خورشیدی و غلظت رنگدانه کاربردی به جریان های ۲۱ میلی آمپر رسیدیم.

وی با اشاره به اینکه این طرح می تواند مخاطبان زیادی داشته باشد، گفت: در حال حاضر با توجه به جدید بودن تکنولوژی ساخت سلول های خورشیدی در تمام دنیا، بغیر از نمونه سلول های خورشیدی سیلیکونی که تجاری سازی شده اند، سایر انواع سلول های خورشیدی به مرحله تجاری سازی در سطح کلان نرسیده اند. اما نمونه مورد بحث به دلیل جریان و ولتاژ بالای تولیدی، اعتماد سرمایه گذاری را می تواند ایجاد کند.

استفاده شخصی از سلول های خورشیدی 

وی با بیان اینکه از این سلول ها می توان در سطوح منعطف مثل لباس و کیف دستی استفاده کرد، گفت: چنانچه مدل منعطف از این سلول ها ساخته شود، امکان نصب در سطوح منعطف مانند لباس و کیف دستی را دارد. به عنوان مثال، روی کیف دستی نصب می شوند و برای تامین برق مورد نیاز لوازم همراه بکار می روند. مثلا می توانند موبایل یا تبلت را شارژ کند تا نیازی به بردن شارژر همراه نباشد.

فارغ التحصیل دانشگاه صنعتی امیرکبیر با بیان اینکه با توجه به نتایج به دست آمده نمونه آزمایشگاهی این سلول ها که دارای ابعاد1.5 در 1.5 سانتی متر مربع هستند، بازده هشت درصدی دارند و برای روشنایی معمولا از پانل های این سلول ها استفاده می شود که تعداد ۱۰۰ سلول در کنار هم قرار می گیرند.

وی درباره خصوصیات این سلول های های خورشیدی طراحی شده گفت: سلول های ساخته شده دارای وزن سبک  هستند، فرآیند پذیری در حالت محلول دارند و به هنگام تولید تجاری می توان با استفاده از تکنیک های Roll to Roll  (همانند تولید روزنامه) آنها را تولید کرد. از این رو فضای زیادی را برای تولید انبوه نیاز ندارند. همچنین با تغییر پلیمرهای معمول و سنتز مواد جدید می توان با تاثیر بر باندگپ مواد رسانا، به جریان ها و ولتاژهای بالاتر رسید. رنگدانه های بکار برده شده، ناحیه مرئی و فرابنفش را تحت پوشش قرار می دهند و فوتون های پر انرژی این ناحیه را جذب می کنند و با انتقالات فورستر در ساختار، علاوه بر انتقال بار، انتقال انرژی را نیز منجر می شوند.

وی با بیان اینکه هنوز مشابه خارجی ندارد، ادامه داد: این سلول ها برای تمامی اماکن اعم از علائم حمل و نقل موجود در جاده ها مانند تابلوهای VMS، برای چراغ های راهنمایی و رانندگی، تامین برق مناطق کوهستانی، تامین برق سیستم های مخابراتی، تامین برق کارخانجات و در هر مکانی که امکان رساندن برق و کابل کشی توجیه اقتصادی نداشته باشد مانند مسیرهای صعب العبور و ..، سلول های خورشیدی می توانند به کمک تامین برق آیند.

وی عنوان کرد: نتایج حاصل از این کارهای پژوهشی بصورت مقاله در مجلات بین المللی معتبر به چاپ رسیده و در کنفرانس های معتبر داخلی و بین المللی ارائه شده است. گواهی ثبت اختراع و تائیدیه سازمان پژوهشهای علمی صنعتی ایران برای این دستاوردها دریافت شده است.

این پروژه به سرپرستی دکتر لیلا ناجی استادیار گروه شیمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر به انجام رسیده است.