سلول های خورشید ی رنگ د انه ای

امروزه، به واسطه افزایش روزافزون جمعیت و رشد  صنایع د  ر جهان، نیاز به انرژی به طور چشمگیری د ر حال افزایش است. از سویی باتوجه به بحران‌های زیست‌محیطی که در حال حاضر جهان با آن د رگیر است، بهره‌گیری از انرژی‌های تجد ید پذیر و پاک به جای منابع فسیلی د ر د ستور کار کشورهای مختلف قرار گرفته است. د ر میان تمام انرژی‌های تجد ید پذیر، انرژی خورشید ی باتوجه به فراوانی بسیار و د وستد ار محیط زیست بود ن، بسیار مورد  توجه بود ه و یکی از بیشترین منابع مورد  استفاد ه کشورهاست. به عبارتی می‌توان تصریح کرد  که انرژی خورشید ی منبع منحصر به فرد  انرژی تجد ید پذیر د ر جهان و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود  د ر زمین است. انرژی خورشید ی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌تواند  به اشکال د یگر انرژی تبد یل شود ، به طوری که امروزه استفاد ه از منابع عظیم انرژی خورشید  برای تولید  انرژی الکتریسته، استفاد ه دینامیکی، ایجاد  گرمایش محوطه‌ها و ساختمان‌ها، خشک کرد ن تولید ات کشاورزی، تغییرات شیمیایی و… د ر جهان کاربرد  د ارد . د ر این میان، با توجه به پیشرفت‌های فنی و فناوری در جهان، بهره‌گیری از انرژی خورشید ی برای تولید  برق بسیار رو به گسترش است. ایران با د اشتن حد ود  ۳۰۰ روز آفتابی د ر سال جزو بهترین کشورهای د نیا د ر زمینه پتانسیل انرژی خورشید ی است. باتوجه به موقعیت جغرافیایی ایران و پراکند گی روستایی د ر کشور، استفاد ه از انرژی خورشید ی یکی از مهم‌ترین عواملی است که باید  مورد  توجه قرار گیرد . استفاده از انرژی خورشیدی یکی از بهترین راه‌های برق‌رسانی و تولید  انرژی در مقایسه با دیگر مدل‌های انتقال انرژی به روستاها و نقاط دور افتاد ه د ر کشور از نظر هزینه، حمل‌نقل، نگهد اری و عوامل مشابه است.

باتوجه به استاند ارد های بین‌المللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید  د ر روز بالاتر از 3.5 کیلووات ساعت در مترمربع (۳۵۰۰ وات ساعت د ر متر مربع) باشد  استفاد ه از مدل‌های انرژی خورشید ی نظیر کلکتورهای خورشید ی یا سیستم‌های فتوولتاییک بسیار اقتصاد ی و مقرون به صرفه است. در بسیاری از قسمت‌های ایران انرژی تابشی خورشید  بسیار بالاتر از این میانگین بین‌المللی است و د ر برخی از نقاط حتی بالاتر از ۷ تا ۸ کیلو وات ساعت بر مترمربع اند ازه‌گیری شد ه است ولی به طور متوسط انرژی تابشی خورشید  بر سطح سرزمین ایران حد ود  4.5 کیلووات ساعت بر مترمربع است. شکل یک موید  این مطلب است. فناوری‌نانو، توانمند ی تولید  مواد ، ابزارها و سیستم‌های جد ید  با در د ست گرفتن کنترل د ر سطوح مولکولی و اتمی و استفاد ه از خواصی است که د ر آن سطوح ظاهر می شود . از همین تعریف ساد ه برمی آید  که فناوری نانو یک رشته جد ید  نیست، بلکه رویکرد ی جد ید  د ر تمام رشته‌هاست. برای فناوری نانو کاربرد هایی را د ر حوزه‌های مختلف از غذا، د ارو، تشخیص پزشکی و زیست‌فناوری تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محیط زیست، مواد ، هوافضا و امنیت ملی برشمرد ه‌اند . کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامد های اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فناوری را به  عنوان یک زمینه فرارشته ای و فرابخش مطرح ساخته است.هرچند  آزمایش ها و تحقیقات پیرامون فناوری نانو از ابتد ای د هه 80 قرن بیستم به طور جد ی پیگیری شد ، اما اثرات تحول‌آفرین، معجزه‌آسا و باورنکرد نی فناوری نانو در روند  تحقیق و توسعه باعث شد  که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب شود  و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهم‌ترین اولویت‌های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب کنند .

1- چالش‌های پیش روی صنعت سلول‌های خورشید ی چیست؟

باوجود  اینکه انرژی خورشید ی، فراوان، رایگان و سازگار با محیط زیست است، اما صنعت سلول‌های خورشیدی با مشکلات قابل توجهی مواجه است که بد ون شک، در انتظار نوآوری‌های آتی در د انش و فناوری برای حل کردن آنهاست. چالش‌های مختلفی از مناظر گوناگون در این راستا قابل ذکرند ، از جمله:1. نیاز به زمین بیشتر برای ساخت نیروگاه2. د فع قطعات سلول‌های خورشیدی پس از طی طول عمر3. سمی بود ن برخی مواد  به کار رفته د ر سلول‌ها4. کمیاب بود ن برخی مواد  به کار رفته د ر سلول‌هااما علاوه بر موارد  بالا، 2 چالش عمد ه و اساسی پیش روی این فناوری، قیمت بالای سیستم‌های خورشیدی و نیز بازده پایین این سیستم‌ها هستند . در واقع می‌توان گفت مهم‌ترین موانع بر سر راه فراگیری استفاد ه از انرژی خورشیدی در جهان این 2 مورد  به شمار می‌روند . تمام تلاش مجامع علمی و صنعتی د ر راستای فائق آمد ن بر این 2 مسئله است.هزینه اولیه نصب سلول‌های خورشید ی بالاست. همچنین، هزینه بر کیلووات ساعت برق تولید  شد ه توسط توان خورشید ی نیز هنوز بالاتر از منابع رایج و مرسوم نظیر زغال‌سنگ و هسته‌ای است. د ر طول 20 سال گذشته، هزینه هر کیلووات ساعت برق تولید  شد ه توسط سلول‌های فتوولتاییک از حد ود  500 د لار به 5 د لار کاهش یافته و پیش‌بینی می‌شود  این روند  همچنان ادامه د اشته باشد  (شکل 3). با این وجود ، این هزینه همچنان بالاتر از موارد ی چون برق هسته‌ای، زغال‌سنگ و گاز طبیعی است. پس این حیطه، نیازمند  توجه فراوان د ر صنعت و د انش سلول‌های خورشید ی است.یکی از مشکلات گونه‌های مختلف سلول‌های خورشید ی بازد ه تبد یل انرژی پایین آنهاست. به طوری که این مقد ار د ر سلول‌های سیلیکونی (که رایج‌ترین نوع سلول‌های خورشید ی هستند ) د ر محد ود ه 20 تا 20 د رصد  قرار می‌گیرد . این مقد ار د ر بهترین شرایط ممکن، یعنی تابش کامل W m 1000 2 و بد ون د ر نظر گیری آلود گی‌های محیطی و شرایط آب و هوایی تضعیف‌کننده تابش، اند ازه‌گیری شد ه است، بنابراین د ر شرایط واقعی مقد ار کمتری را د ارا خواهد  بود . این د ر شرایطی است که عوامل دیگری نظیر افزایش دمای سلول، شرایط محیطی نظیر هوای ابری و غیره می‌توانند  اثر منفی د ر این میزان بازد ه د اشته باشند . بنابراین رویه‌ روز د نیا به سمت و سوی افزایش هرچه بیشتر بازد ه سلول‌های خورشید ی است. به طور کلی، فناوری نانو به طرق گوناگون بر عملکرد  سلول‌های خورشید ی تاثیر مثبت گذاشته است. این تاثیرات کاربرد ی د ر قالب موارد  زیر قابل انجام است:- افزایش جذب و به د ام اند اختن نور خورشید :- استفاد ه از اثر شکست نور نانوذرات فلزی (نظیر نانوذرات طلا یا نقره) برای به د ام اند اختن نور د رون ساختار سلول‌های خورشید ی و افزایش بازد ه تبد یل انرژی [14-15].- ارائه‌ ساختارهای جد ید  مبتنی بر فناوری نانو برای سلول‌های خورشید ی [3]:- استفاد ه از نانوکریستال‌های سیلیکون و بهبود  بازد ه سلول‌های سیلیکونی. -استفاد ه از نانوذرات TiO2 و رنگد انه‌ها د ر سلول‌های خورشید ی رنگد انه‌ای و بهبود  بازد ه و کاهش قیمت ساخت.- سلول‌های خورشید ی حساس شد ه به نقاط کوانتومی و بهبود  بازد ه و کاهش قیمت ساخت.- بهره‌گیری از نانوسیال‌ها به منظور بهبود  عملکرد  سلول خورشید ی [13]:- استفاد ه از نانوسیال‌ها (نظیر نانوسیال آب-Al2O3) به منظور بهبود  فرایند  خنک‌سازی سلول خورشید ی و کاهش اثر افزایش د ما بر عملکرد  سلول.- استفاد ه از نانوسیال‌ها (نظیر نانوسیال آب- TiO2) به منظور بهبود  جذب نور د ر سلول‌های خورشید ی رنگد انه‌ای.- کاربرد  فتوکاتالیست‌های مبتنی بر فناوری نانو د ر سلول‌های خورشید ی:- استفاد ه از انواع نانوفتوکاتالیست‌ها و انواع حسگرهای نوری (نظیر کاد میوم سولفید ) برای بهبود  جذب نور، افزایش محد ود ه‌ جذب و سوق د اد ن آن به سمت نورهای مرئی و بهبود  و تسریع انتقال الکترون (و د ر نتیجه بهبود  بازد ه تبد یل انرژی) [12].موارد  بالا تنها بخشی از کارکرد های فناوری نانو د ر عرصه انرژی خورشید ی بود ه و نانوفناوری د ر سایر حوزه‌های انرژی خورشید ی، نظیر سیستم‌های حرارتی خورشید ی نیز کاربرد های چشم‌گیری از خود  نشان د اد ه است.