در جریان تکامل مداوم فناوری فتوولتائیک، سلولهای خورشیدی کالکوژنید، به عنوان نماینده نسل سوم فناوری فتوولتائیک، به دلیل مزایای منحصر به فرد و پتانسیل بالای خود، در حوزه تحقیقات علمی و صنعت مورد توجه قرار گرفتهاند. اخیراً، گروه تحقیقاتی به رهبری پروفسور یوان مینگجیان در دانشکده شیمی دانشگاه نانکای به موفقیت بزرگی در تحقیقات سلولهای خورشیدی کالکوژنید دست یافتهاند که نشاط جدیدی را به توسعه این حوزه تزریق کرده است.
مزایای منحصر به فرد سلولهای خورشیدی کالکوژنید
کالکوژنید دستهای از مواد با ساختار کریستالی منحصر به فرد است که کاربردهای گستردهای در سلولهای خورشیدی جدید و سایر دستگاههای نیمههادی دارد. دلیل اینکه سلولهای خورشیدی کالکوژنید توجه زیادی را به خود جلب کردهاند، عمدتاً به دلیل مزایای قابل توجه زیر است:
۱. انعطافپذیری و سازگاری:ماده کالکوسیت انعطافپذیری خوبی دارد و میتواند در باتریهای انعطافپذیر مورد استفاده قرار گیرد که امکان کاربرد آن را در برخی سناریوهای کاربردی خاص مانند دستگاههای پوشیدنی، محصولات الکترونیکی انعطافپذیر و سایر زمینهها فراهم میکند و دامنه کاربرد فناوری فتوولتائیک را تا حد زیادی گسترش میدهد.
۲. پتانسیل آمادهسازی در سطح وسیع:در مقایسه با سلولهای خورشیدی سنتی مبتنی بر سیلیکون، سلولهای خورشیدی کالکوژنیدی مزایای آشکاری در آمادهسازی سطح وسیع، از طریق پردازش محلول و سایر روشهای آمادهسازی کمهزینه، برای دستیابی به تولید باتری در سطح وسیع دارند که برای کاهش هزینههای صنعت فتوولتائیک و ارتقای کاربرد در مقیاس وسیع فناوری فتوولتائیک مهم است.
۳. راندمان تبدیل نظری بالا:از نظر تئوری، سلولهای خورشیدی کالکوژنیدی راندمان تبدیل فتوولتائیک بالایی دارند و راندمان حدی نظری آنها با سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون سنتی قابل مقایسه است. با تعمیق مداوم تحقیقات، راندمان تبدیل واقعی سلولهای خورشیدی کالکوژنیدی نیز در حال بهبود است که پتانسیل بالایی برای توسعه نشان میدهد.
چالش سلولهای خورشیدی کالکوژنید
علیرغم مزایای فراوان سلولهای خورشیدی کالکوژنید، اما قبل از کاربرد تجاری در مقیاس بزرگ، هنوز با تعدادی از مسائل کلیدی مواجه است که باید حل شوند، که در این میان مشکل پایداری به ویژه برجسته است:
۱. پایداری ضعیف در دمای بالا:به عنوان لایه جاذب نور باتری، پایداری ماده کالکوژنید به طور قابل توجهی تحت تأثیر عوامل محیطی خارجی قرار میگیرد. در تهیه سلولهای خورشیدی کالکوژنید با کارایی بالا، اغلب لازم است برای تثبیت فاز فیزیکی و تنظیم تبلور، به افزودنیهای نمک آمین آلی فرار تکیه شود. با این حال، این افزودنی در دماهای بالا بسیار آسان تجزیه میشود و باعث عدم تعادل در ترکیب شیمیایی فیلم کلسیت میشود که به طور قابل توجهی پایداری باتری را در عملکرد دمای بالا کاهش میدهد، که به یکی از تنگناهای اصلی محدود کننده کاربرد تجاری آن در مقیاس بزرگ تبدیل شده است.
۲. پایداری ناکافی در درازمدت:علاوه بر پایداری در دمای بالا، سلولهای خورشیدی کالکوژنید در استفاده طولانی مدت از این فرآیند، با پیری مواد، تضعیف نور و سایر عواملی که منجر به تخریب عملکرد میشوند نیز مواجه هستند که این امر تا حدودی بر امکانسنجی و قابلیت اطمینان کاربردهای تجاری آن تأثیر میگذارد.
آخرین دستاوردها و پیشرفتهای پژوهشی
پروفسور یوان مینگجیان از دانشکده شیمی دانشگاه نانکای، با هدف بررسی مشکل پایداری عملیاتی ضعیف سلولهای خورشیدی کالکوژنید در شرایط عملیاتی با دمای بالا، گروه تحقیقاتی را برای انجام تحقیقات مشارکتی بینالمللی در سطح بالا رهبری کرد و به نتایج قابل توجهی دست یافت:
۱. تدوین یک استراتژی آمادهسازی جدید:تیم تحقیقاتی با ترکیب پیشبینیهای نظری، با موفقیت یک استراتژی آمادهسازی برای کالکوژنید آلیاژی با پایداری حرارتی بالاتر توسعه داد. این استراتژی به طور کامل مشکل ناهمگنی جزء متامیدی سزیم فیلمهای کالکوژنید را حل میکند و اساساً پایداری مواد کالکوژنید را بهبود میبخشد.
۲. ترکیبی از راندمان بالا و پایداری بالا:دستگاههای سلول خورشیدی کالکوژنید که با این استراتژی تهیه شدهاند، راندمان تبدیل انرژی در سطح جهانی و پایداری در دمای بالا را نشان دادهاند. این دستاورد نه تنها پایه فنی محکمی برای بهبود پایداری سلولهای خورشیدی کالکوژنید ایجاد میکند، بلکه چشمانداز وسیعی را برای کاربردیسازی و تجاریسازی بیشتر فناوری فتوولتائیک میگشاید.
۳. انتشار و اهمیت نتایج:عصر روز 30 سپتامبر، مجله نیچر نتایج تحقیقات خود را با عنوان «جزء سزیم آمیدین سلولهای خورشیدی کالکوژنید با پایداری حرارتی بالا» منتشر کرد. این تحقیق از اهمیت گستردهای برای ارتقای تحول سبز ساختار انرژی جهانی برخوردار است و پیشرفت بزرگی در نسل جدید فناوری فتوولتائیک محسوب میشود.
چشمانداز توسعه آینده
با دستیابی به این نتیجه تحقیقاتی، چشمانداز توسعه سلول خورشیدی کلسیت روشنتر شده است. در حال حاضر، تیم تحقیقاتی به طور فعال در حال ترویج تحقیق و توسعه ماژولهای سلول خورشیدی کالکوژنید با کارایی بالا مطابق با نیازهای صنعتی شدن از طریق همکاری بین مدارس و شرکتها است تا در اسرع وقت کاربرد عملی نتایج تحقیقات و صنعتی شدن فرود را ارتقا دهد.
۱. صنعتی شدن شتابان:این پیشرفت، صنعتیسازی سلولهای خورشیدی کالکوژنید را تا حد زیادی تسریع خواهد کرد، که انتظار میرود در چند سال آینده به تولید و کاربرد تجاری در مقیاس بزرگ دست یابد و راهحلهای انرژی پاک کارآمدتر و کمهزینهتری را برای بازار جهانی انرژی فراهم کند.
۲. گسترش برنامه:با بهبود مستمر عملکرد سلولهای خورشیدی و کاهش بیشتر هزینه سلولهای خورشیدی کالکوژناید، حوزههای کاربردی آن بیشتر گسترش خواهد یافت. علاوه بر نیروگاههای فتوولتائیک سنتی، تولید پراکنده برق و سایر زمینهها، بلکه در ادغام ساختمانها، انرژی سیار، اینترنت اشیا و سایر حوزههای نوظهور نیز نقش مهمی ایفا میکنند.
۳. تغییر ساختار انرژی را ترویج دهید:به عنوان یک فناوری انرژی پاک و تجدیدپذیر، کاربرد گسترده سلولهای خورشیدی کلسیت به ارتقای تحول سبز ساختار انرژی جهانی، کاهش وابستگی به انرژی فسیلی سنتی، کاهش انتشار کربن و ایجاد سهم مثبت در مبارزه با تغییرات اقلیمی جهانی کمک خواهد کرد.
در پایان، به عنوان نماینده نسل جدید فناوری فتوولتائیک، اگرچه با چالشهایی روبرو است، اما با تلاشهای مستمر محققان و نوآوری در فناوری، چشمانداز توسعه آن بسیار گسترده است. اعتقاد بر این است که در آینده نزدیک، سلولهای خورشیدی کالکوژنید در حوزه انرژی خواهند درخشید و پشتیبانی قوی از انرژی را برای توسعه پایدار جامعه بشری فراهم میکنند.
