انرژی خورشیدی یک منبع انرژی تجدید پذیر، پایدار و غیر آلاینده است و به انرژی پاک و سبز مشهور است. همچنین بسیار مقرون به صرفه و قابل اعتماد است. سریعترین میزان رشد فناوری انرژی در جهان، مربوط به فناوری‌های خورشیدی است. انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی آزمایش شده در سراسر جهان، برای کاربردهای تجاری، صنعتی، دولتی و خانگی متعددی استفاده می‌شود. این انرژی پمپ‌های آب در روستاهای آفریقایی، ایستگاه‌های هواشناسی در قطب جنوب و ماهواره‌ها در فضا را انرژی خورشیدی تامین می‌کند! در این مقاله، با تاریخچه فناوری‌های خورشیدی و برخی از آخرین تحولات این حوزه آشنا می‌شوید.
تاریخچه‌ی فناوری‌های خورشیدی
فناوری‌های خورشیدی در طول قرن‌ها تکامل یافته‌اند که توسط اکتشافات علمی و پیشرفت‌های تکنولوژیکی بوده است.
استفاده از انرژی خورشیدی را می‌توان در تمدن‌های باستانی مانند یونانی‌ها و رومی‌ها جستجو کرد که از تکنیک‌های معماری خاصی برای استفاده از انرژی خورشیدی به منظور گرم کردن ساختمان‌ها استفاده می‌کردند.
در سال ۱۸۳۹، الکساندر ادموند بکرل، اثر فتوولتائیک (photovoltaic effect) را کشف کرد که هنگامی که مواد خاصی در معرض نور قرار می‌گیرند، تولید جریان الکتریکی را ممکن می‌سازد. این کشف، پایه و اساس فناوری سلول‌های خورشیدی را بنا نهاد. در سال ۱۸۸۳، چارلز فریتز اولین سلول خورشیدی واقعی را با استفاده از سلنیوم اختراع کرد. این سلول‌های اولیه بازده بسیار پایینی داشتند اما مفهوم تبدیل مستقیم نور خورشید به الکتریسیته را نشان دادند.
عصر مدرن فناوری خورشیدی
عصر مدرن فناوری خورشیدی با توسعه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی آغاز شد. در سال ۱۹۵۴، آزمایشگاه بل اولین سلول خورشیدی سیلیکونی عملی را تولید کرد که بازدهی حدود ۶ درصد را به دست آورد. در طول نیمه دوم قرن بیستم، تحقیق و توسعه بر بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی و کاهش هزینه‌های آنها متمرکز بود. این دوره شاهد ظهور پنل‌های خورشیدی برای کاربردهای خاص مانند برق رسانی ماهواره‌ها بود. از دهه ۱۹۹۰ به بعد، فناوری خورشیدی به طور فزاینده‌ای تجاری شد. زیرا دولت‌ها و صنایع خصوصی، پتانسیل آن را تشخیص دادند. توسعه فرآیندهای تولید کارآمدتر، مواد جدید و اختراعاتی مانند سلول‌های خورشیدی لایه نازک، بازار انرژی خورشیدی را بیشتر گسترش داد.
قرن بیست و یکم شاهد پیشرفت‌های قابل توجهی در فناوری خورشیدی بوده است، از جمله می‌توان به ظهور سیستم‌های فتوولتائیک (PV) برای کاربردهای مسکونی، تجاری و همچنین در مقیاس شهری اشاره کرد. بهبود در بهره‌وری، راهکارهای ذخیره‌سازی انرژی (مانند باتری) و ادغام با شبکه‌های هوشمند، پذیرش انرژی خورشیدی را در سراسر جهان سرعت بخشیده است.
معیار پذیرش یک فناوری بهینه خورشیدی چیست؟
پیشرفت‌های تکنولوژیکی که اهمیت پیدا می‌کنند، همگی دو عامل مشترک دارند:
۱. یک فناوری قدیمی‌تر و اثبات شده را به روش‌های واقع بینانه بهبود می‌بخشند.
۲. از نظر تجاری قابل دوام هستند یا مسیرهایی برای بقای خود ایجاد می‌کنند.
به طور کلی از راه‌های مختلفی می‌توان فناوری خورشیدی فعلی را بهبود بخشید که عبارت‌اند از:
- افزایش بهره‌وری
- افزایش دسترسی به مواد اولیه و کاهش سمیت
- کاهش هزینه و دشواری تولید
- افزایش دوام و طول عمر
- کاربردهای جدید فناوری
چند نمونه از فناوری‌های خورشیدی
مواردی که در زیر به آنها اشاره خواهیم کرد، فناوری موجود را با یک یا چند مورد از راه‌هایی که در بالا اشاره شد، بهبود می‌بخشند. علاوه‌براین، همه آنها امروز یا در حال استفاده هستند یا تقریبا آماده استفاده شده‌اند.
۱. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی ناهمگون و متوالی (Silicon heterojunction and tandem solar cells)
این فناوری، جدید نیست. در واقع، فناوری سلول‌های ناهمگون برای اولین بار در دهه ۱۹۷۰ اختراع شد و برای دهه‌ها در پنل‌های خورشیدی تجاری موجود، استفاده شده است اما بررسی این فناوری، برای بهبود فتوولتائیک‌های خورشیدی در سال‌های آتی، بسیار مهم است.
سلول‌های ناهمگون سیلیکونی (SHJs) حاوی یک لایه پایه از سیلیکون کریستالی هستند که در لایه‌های نازکی از سیلیکون آمورف پوشانده شده‌اند. هر لایه می‌تواند الکتریسیته را از محدوده‌های مختلف طول موج نور، تولید کند. این فناوری، کل سلول را از یک سلول خورشیدی سیلیکونی سنتی که فقط یک لایه مواد نیمه هادی دارد، کارآمدتر می‌کند.
از قدیم، ساخت سلول‌های ناهمگون نسبت به سلول‌های خورشیدی سیلیکونی معمولی، دشوارتر بوده اما پیشرفت‌های جدید در مواد اولیه، باعث شده که تولیدکنندگان با لحاظ مسائل اقتصادی، به این فرآیند روی بیاورند. یکی از این پیشرفت‌ها در مواد اولیه، تولید سلول خورشیدی متوالی (tandem solar cell) است که لایه‌های فوق‌العاده نازک اضافی را در کنار هم قرار می‌دهد تا صفحه خورشیدی کارآمدتری ایجاد کند.
۲. پروسکایت‌ها (Perovskites)
پروسکایت‌ها به دسته ای از مواد اطلاق می‌شوند که ساختار کریستالی خاصی مشابه کلسیم تیتانیوم اکسید (CaTiO3) دارند که برای اولین بار در سال ۱۸۳۹ در کوه‌های اورال روسیه کشف شد و به نام کانی شناس روسی Lev Perovski نام‌گذاری شد. ساختارهای پروسکایت با آرایش مکعبی از آنیون‌ها (یون‌های دارای بار منفی) که توسط کاتیون‌ها (یون‌های با بار مثبت) احاطه شده‌اند، مشخص می‌شوند که یک شبکه سه بعدی را تشکیل می‌دهند.
در سال‌های اخیر، زیرگروه خاصی از مواد پروسکایتی معروف به پروسکایت‌های متال هالید (مانند متیل آمونیوم یدید سرب،(CH3NH3PbI3 ، به دلیل خواص اپتوالکترونیکی (الکترونیک نوری) استثنایی‌شان توجه زیادی را در زمینه فتوولتائیک‌های خورشیدی به خود جلب کرده‌اند.
سه دلیل عمده برای جذابیت پروسکایت‌ها برای محققان خورشیدی به این ترتیب است:
- تولید آنها بدون انجام فرآیندهای ویژه‌ی نیازمند به حرارت بالا، نسبتاً آسان است.
- پروسکایت‌ها را می‌توان با روش‌های ساده از طریق مایع یا بخار بر روی سطوح رسوب داد.
- این مواد می‌توانند برای تولید الکتریسیته از طول موج‌های مختلف نور “تنظیم” شوند؛ به این معنی که می‌توانند فوتون‌هایی را جذب کنند که سلول‌های سیلیکونی نمی‌توانند.
از معایب پروسکایت‌ها این است که این مواد، نمی‌توانند سال‌های طولانی دوام داشته باشند زیرا وقتی در معرض اکسیژن و رطوبت قرار می‌گیرند تجزیه می‌شوند. با‌این‌حال، در سال‌های اخیر پیشرفت‌هایی صورت گرفته است که پایداری سلول‌های خورشیدی پروسکایت را تا حد زیادی بهبود بخشیده است و شرکت‌ها به عرضه محصولات تجاری پروسکایت به بازار بسیار نزدیک هستند.
پروسکایت‌ها ممکن است در آینده‌ای دورتر، در هزینه تولید سلول‌های خورشیدی کاهش محسوسی ایجاد کنند. زیرا ساخت این مواد آسان است و می‌توانند در لایه‌های بسیار نازک روی بسترهای انعطاف‌پذیر به کار گرفته شوند.
۳. قرار دادن پنل‌ها در مکان‌های مختلف
یکی از بزرگترین چالش‌ها در مورد نصب پنل‌های خورشیدی این است که آن را کجا قرار دهیم. یک گزینه می‌تواند پشت بام خانه‌ها باشد اما می‌دانیم که همه صاحبان خانه نمی‌توانند از انرژی خورشیدی بهره ببرند. محله‌های مسکونی در بسیاری از مکان‌ها سایه‌دار هستند و سقف‌ها باید قبل از نصب پنل‌های خورشیدی برداشته شوند. بنابراین قرار دادن پنل‌ها در مناطق مسکونی به صورت تجاری ممکن است زمان‌بر باشد.
مکان‌هایی که می‌توانند از انرژی خورشیدی بهره ببرند و سایه زیادی ندارند شامل منابع آبی، کانال‌ها و زمین‌های کشاورزی است. با ساختن تاسیسات خورشیدی جدید در این مکان‌های موجود، می‌توان به صورت فراوان، الکتریسیته تولید کرد و در عین حال عملکرد فضاهای زیر این پنل‌ها را نیز بهبود بخشید.
انواع فناوری‌های خورشیدی برای قرار دادن پنل‌ها در مکان‌های مختلف
یک فناوری که به این منظور ایجاد شده، Floatovoltaics یا پنل‌های خورشیدی شناور می‌باشند. این تاسیسات از پایه‌هایی استفاده می‌کنند که به طور خاص برای قرار گرفتن بر روی بدنه‌های آبی طراحی شده است و مزایای متعددی دارند از جمله:
- بهبود کیفیت آب و کاهش تبخیر
- آب، نقش خنک کننده را در پنل‌های خورشیدی ایفا می‌کند و باعث کارآمدتر شدن عملکرد آنها می‌شود
- قابل نصب بر روی پهنه‌های آبی در نیروگاه های موجود
فناوری دیگر در این زمینه، Agrivoltaics است. این فناوری، عمل نصب پنل‌های خورشیدی در زمین‌های کشاورزی به منظور تولید برق و بهبود نتایج برای کشاورز است. agrivoltaics که solar sharing (اشتراک خورشیدی) نیز نامیده می‌شود، می‌تواند برای کمک به بهبود عملکرد محصول، تامین و استفاده اضافی محصول برای دام، و کاهش آب مورد نیاز برای آبیاری استفاده شود. پنل‌های خورشیدی، ایجاد سایه می‌کنند که برای محصولاتی مانند گوجه‌فرنگی و ذرت مفید است و نیاز آبی را برای محصولاتی مانند شاتوت، اسفناج و کاهو کاهش می‌دهد و در عین حال محصول را حفظ می‌کند. این پنل‌ها همزمان الکتریسیته نیز تولید می‌کنند که برای تامین انرژی ساختمان‌ها و تجهیزات مزرعه و کاهش هزینه‌های انرژی کشاورزان کاربرد دارد.
۴. فتوولتائیک آلی (OPV)
سلول‌های فتوولتائیک مانند آنچه در نیروگاه خورشیدی فولاد مبارکه اصفهان به کار رفته، آلی از مولکول‌ها یا پلیمرهای آلی برای تولید برق از نور خورشید استفاده می‌کنند. OPVها پتانسیل ساخت کم‌هزینه، انعطاف‌پذیری و کاربرد در پنل‌های خورشیدی سبک و انعطاف‌پذیر را دارند.
۵. سلول‌های خورشیدی نانو
مواد نانوساختار مانند نقاط کوانتومی و نانوسیم‌ها به دلیل پتانسیل آنها برای افزایش جذب نور و خواص انتقال الکترون در سلول‌های خورشیدی و در نتیجه بهبود کارایی مورد بررسی قرار می‌گیرند.
کلام آخر
محققان هنوز در حال بررسی پیشرفت‌های جدید در زمینه فناوری‌های خورشیدی و یافتن بهترین روش استفاده از پنل‌های خورشیدی در منابع آبی، کانال‌ها و زمین‌های کشاورزی هستند. یکی از بهترین عوامل برای مشارکت در بخش انرژی پاک، دیدن و خواندن و پیگیری همه پیشرفت‌های جالبی است که هر روز در سراسر جهان اتفاق میفتد اما واقعیت این است که فناوری موجود امروزی کافی است تا ما را به آینده‌ای کاملا تجدیدپذیر و برقی برساند. سرعت این اتفاق، تنها به تمایل دولت‌های سراسر جهان برای اولویت دادن به تولید انرژی‌های تجدیدپذیر، همکاری با شرکت‌های دانش‌بنیان مانند شرکت صنایع نیرو و انرژی پاک فولاد (صناپ)، ذخیره‌سازی انرژی و سیستم‌های انتقال مربوط می‌شود.
