سلول‌های خورشیدی تاندم پروسکایت ۳۵ درصدی

عبور از حد نظری شاکلی-کوئیسر؛ چرا پنل‌های سیلیکونی سنتی به سقف رسیدند؟

برای بیش از چهار دهه، پنل‌های خورشیدی مبتنی بر ویفرهای تک‌بلور سیلیکونی (Monocrystalline Silicon) ستون فقرات مزارع خورشیدی جهان بودند. با این حال، قوانین فیزیک نیمه‌هادی‌ها سدی نفوذناپذیر بر سر راه این فناوری قرار داده بودند: حد شاکلی-کوئیسر (Shockley-Queisser Limit). بر پایه این اصل ترمودینامیکی، یک پیوند منفرد سیلیکونی با گاف انرژی ۱.۱ الکترون‌ولت حداکثر قادر به تبدیل تئوری ۳۳.۷ درصد از طیف نور خورشید به الکتریسیته است و در عمل، بازدهی بهترین پنل‌های تجاری در حوالی ۲۲ تا ۲۴ درصد متوقف شده بود.

دلیل این اتلاف عظیم آن بود که فوتون‌های پرانرژی طیف آبی و فرابنفش انرژی مازاد خود را به صورت گرما تلف می‌کردند، درحالی‌که فوتون‌های کم‌انرژی مادون قرمز توانایی برانگیختن الکترون‌ها را نداشتند. امروزه صنعت خورشیدی با گذار به فناوری «سلول‌های خورشیدی تاندم دوپایانه‌ای پروسکایت بر روی سیلیکون» (Perovskite-on-Silicon Tandem Cells) رسماً از این سقف تاریخی عبور کرد و به بازدهی خیره‌کننده ۳۵.۲ درصدی در مقیاس صنعتی دست یافت.

معماری دوپایانه‌ای و مهندسی طیفی؛ تلفیق جذب پرتوهای آبی و مادون قرمز

در سلول‌های تاندم نوین، دو نیمه‌هادی با گاف‌های انرژی مکمل به صورت لایه‌به‌لایه روی هم رسوب داده می‌شوند. لایه فوقانی از ترکیبات پروسکایت متال-هالید آلی-معدنی با گاف انرژی تنظیم‌شده ۱.۶۸ الکترون‌ولت تشکیل شده است. این لایه نور با طول‌موج کوتاه (طیف آبی و بنفش با انرژی بالا) را با راندمان کوانتومی فوق‌العاده بالا به الکترون‌های آزاد تبدیل می‌کند و پرتوهای با طول‌موج بلندتر را بدون بازتاب از خود عبور می‌دهد.

در زیر این لایه، یک پیوند تونلی شفاف نانومتری از جنس اکسید رسانای شفاف (TCO) قرار دارد که اتصال الکتریکی بی‌نقصی ایجاد می‌کند. سپس لایه پایینی سیلیکون استاندارد نور عبور کرده از پروسکایت را که در ناحیه مادون قرمز نزدیک (NIR) قرار دارد جذب می‌نماید. این تفکیک هوشمند طیف خورشیدی میان دو ماده فعال، اتلاف گرمایی را به حداقل رسانده و تولید الکتریسیته در واحد سطح پنل را بیش از ۵۰ درصد افزایش داده است؛ دستاوردی که در هماهنگی کامل با شبیه‌سازی‌های تانسوری در انقلاب شبکه‌های عصبی هموردا و کشف مواد کوانتومی و مدل‌سازی اتمی کریستال‌های هالید حاصل گردید.

پوشش‌های نانو-الماسی خودترمیم‌شونده (DLC)؛ پایان کابوس تخریب ناشی از رطوبت

بزرگ‌ترین مانعی که در سال‌های گذشته مانع از تجاری‌سازی پروسکایت‌ها می‌شد، ناپایداری شیمیایی شدید آن‌ها در برابر رطوبت، اکسیژن و تابش طولانی‌مدت پرتوهای فرابنفش بود؛ به گونه‌ای که پنل‌های اولیه پس از چند ماه دچار تخریب ساختاری و تغییر فاز می‌شدند. مهندسان نانومواد امروزه با الگوبرداری از ساختارهای کربنی مقاوم، پوشش نانوکامپوزیت کربن شبه‌الماس (Diamond-Like Carbon - DLC) را توسعه دادند.

این نانوپوشش نازک اتمی با زاویه تماس قطره آب بیش از ۱۱۵ درجه، سطحی فوق‌العاده آب‌گریز ایجاد می‌کند که نه تنها نفوذ هرگونه بخار آب و گاز به درون شبکه کریستالی پروسکایت را ناممکن می‌سازد، بلکه به واسطه سختی بالای پیوندهای الماس‌گونه، مقاومت پنل‌ها در برابر سایش ذرات ماسه در نیروگاه‌های کویری و ضربات تگرگ را تا ۱۰ برابر افزایش داده است.

علاوه بر این، فرمولاسیون نوین حاوی میکروکپسول‌های خودترمیم‌کننده فلوئوردار است که در صورت ایجاد هرگونه میکروترک حرارتی، با گرمای طبیعی آفتاب ذوب شده و شکاف اتمی را مسدود می‌سازند. تست‌های فرسایش تسریع‌شده نشان می‌دهند این پنل‌ها بیش از ۲۵ سال عمر مفید با افت بازدهی کمتر از ۰.۳ درصد در سال خواهند داشت.

برابری شبکه و شتاب تولید هیدروژن سبز؛ بازطراحی اقتصاد جهانی انرژی

دستیابی به بازدهی ۳۵ درصدی، هزینه ترازه‌شده برق (LCOE) تولیدی از مزارع خورشیدی را به کمتر از ۱.۴ سنت بر هر کیلووات‌ساعت تقلیل داده است. این یعنی برق خورشیدی اکنون ارزان‌ترین و اقتصادی‌ترین شکل تولید انرژی در تاریخ تمدن بشری به شمار می‌رود.

این وفور الکتریسیته پاک و ارزان، موتور محرک پروژه‌های غول‌پیکر الکترولیز آب برای تولید هیدروژن سبز و آمونیاک سوختی است؛ چشم‌اندازی که در تلفیق با منابع پایدار پایه‌گذاری‌شده در راکتورهای همجوشی ستلریتور با آهنرباهای ابررسانای دما بالا HTS بشر را یک گام بزرگ به رهایی مطلق از سوخت‌های کربنی نزدیک کرده است. دوران کنونی برای همیشه به عنوان فصلی ثبت خواهد شد که خورشید به حاکم بلامنازع انرژی زمین تبدیل گردید.