مروری بر نسل دوم سلول های خورشیدی، فناوری لایه نازک

سلول های خورشیدی نسل دوم که از فناوری لایه نازک استفاده می کنند، آینده روشنی را برای دنیای تجدیدپذیر ارائه می دهند. این سلول ها برخلاف سلول های خورشیدی نسل پیشین، نازک و انعطاف پذیر هستند و با سه گروه سیلیکون آمورف، CIGS و CdTe/CdS شناخته می شوند. راندمان هایی که در این نسل به دست آمده است، به شروع جنبش انرژی سبز اشاره دارند. به عنوان مثال، سلول های لایه نازک CdTe به راندمان ۲۲٪ دست یافته و سلول های CIGS به بازده ۲۳/۳۵%می رسند. با این پیشرفت ها این سوال به وجود می آید که آیا این نسل از سلول خورشیدی می توانند عملکرد بهتری از سلول های فتوولتائیک سیلیکونی معمول داشته باشند؟

بیشتر بخوانید: مقاله جامع آشنایی با انواع سلول خورشیدی

مجله مانا انرژی که همواره به دنبال گسترش دانش انواع تکنولوژی ها در زمینه انرژی خورشیدی است در این مقاله به بررسی کامل و جامع سلول های خورشیدی نسل دوم خواهد پرداخت. برای اینکه با سلول های فتوولتائیک لایه نازک بیشتر آشنا شوید با ما در این مقاله همراه باشید.

تکامل فناوری های فتوولتائیک؛ ظهور لایه نازک ها

داستان انرژی خورشیدی یک سفر هیجان انگیز از پیشرفت های انرژی های تجدید پذیر است. همه چیز از سال ۱۹۵۴ با ساخت اولین سلول خورشیدی سیلیکونی آغاز شد. این اختراع توسط آزمایشگاه‌های بل، نور را به شکل برق خورشیدی وارد زندگی روزمره انسان ها کرد. این جهش بزرگ باعث شد که انرژی خورشیدی نقشی کلیدی در راه حل های انرژی پایدار داشته باشد.
از آن موقع تا امروز، فناوری های انرژی خورشیدی تغییرات قابل توجهی را شاهد بوده اند. یکی از تغییرات مهم، توسعه سلول های خورشیدی لایه نازک است. تحولات در راستای کاهش هزینه‌های تولید سلول‌های سیلیکونی، منجر به ظهور نسل دوم شد. این نسل شامل فیلم‌های نازک از کادمیوم تلوراید، کادمیوم سلنید، مس ایندیم گالیوم دی‌سلنید و سیلیکون آمورف لایه نازک می‌باشد. در مقایسه با نسل اول، سلول‌های خورشیدی نسل دوم دارای بازدهی کمتری هستند، اما از نظر هزینه، گزینه‌های مقرون‌به‌صرفه‌تری محسوب می‌شوند.
این سلول ها از لایه های بسیار نازک متشکل از مواد ویژه برای جذب نور خورشید استفاده می کنند. این نسل از سلول های فتوولتائیک به مواد کمتری نیاز دارند و امکان کاربردهای جدید مانند پنل های خورشیدی نیمه شفاف و انعطاف پذیر را فراهم می کنند.
 

اجزا و مواد کلیدی در سلول های خورشیدی لایه نازک

سیلیکون ماده اصلی حدود ۹۵ درصد از پنل های خورشیدی امروزی را تشکیل می دهد. سلول های سیلیکونی که به دلیل عمر طولانی و پایداریشان شناخته شده اند، می توانند بیش از ۲۵ سال عمر کرده و بیش از ۸۰ درصد از توان خروجی خود را در این مدت نگه دارند. این موضوع باعث می شود که این نوع سلول به بهترین گزینه برای استفاده از انرژی خورشیدی تبدیل شود.
اما عناصر نیمه هادی دیگری به جز سیلیکون نیز وجود دارند که می توانند برای تولید سلول خورشیدی به کار روند. موادی مانند تلورید کادمیوم (CdTe) که یکی از مواد کلیدی در ساخت سلول های لایه نازک هستند، بعد از سیلیکون در رتبه دوم مصرف این صنعت قرار دارد.
سلول‌های خورشیدی لایه نازک به عنوان یکی از فناوری‌های نوین در تولید انرژی خورشیدی، به دلیل ساختار ساده و وزن سبک خود، توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. این سلول‌ها معمولاً از لایه‌های نازک مواد نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند که به طور مستقیم بر روی زیرلایه‌هایی نظیر شیشه یا پلاستیک قرار می‌گیرند. اجزای اصلی این سلول‌ها شامل مواد نیمه‌رسانا، الکترودها و زیرلایه‌ها هستند که هر کدام نقش حیاتی در عملکرد کلی سلول ایفا می‌کنند.
در مجموع، مواد نیمه‌رسانا در سلول‌های لایه نازک می‌توانند شامل سیلیکون آمورف، کادمیوم تلورید و مس ایندیم گالیوم (CIGS) باشند. سیلیکون آمورف، به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد در این نوع سلول‌ها، به دلیل قابلیت تولید انرژی در دماهای پایین و هزینه پایین ساخت، محبوبیت زیادی دارد. از سوی دیگر، کادمیوم تلورید به خاطر کارایی بالا و هزینه پایین، به عنوان یک گزینه جذاب در بازار انرژی تجدیدپذیر شناخته می‌شود. همچنین، ترکیب مس، ایندیم و گالیوم در CIGS، به تولید سلول‌های با کارایی بالا و انعطاف‌پذیری بیشتر کمک می‌کند.
الکترودها نیز بخش دیگری از سلول‌های خورشیدی لایه نازک هستند که معمولاً از مواد رسانا مانند نقره تشکیل می‌شوند. این الکترودها وظیفه جمع‌آوری و انتقال الکتریسیته تولید شده را بر عهده دارند. زیرلایه‌ها به عنوان پایه‌ای برای این سلول‌ها عمل کرده و می‌توانند از مواد مختلفی مانند شیشه یا پلاستیک تهیه شوند. انتخاب مناسب زیرلایه نه تنها بر وزن و انعطاف‌پذیری سلول تأثیر می‌گذارد، بلکه بر روی هزینه تولید و عملکرد نهایی آن نیز اثرگذار است. در نهایت، ترکیب این اجزا و مواد در سلول‌های لایه نازک، به ایجاد فناوری‌هایی منجر می‌شود که می‌توانند به طور مؤثری در تأمین انرژی پایدار و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کنند. با پیشرفت‌های مداوم در مواد و تکنیک‌های تولید، آینده این فناوری نویدبخش به نظر می‌رسد.

 

تکنولوژی ساخت سلول های خورشیدی لایه نازک

در تکنولوژی ساخت این نوع سلول ها، با بهره‌گیری از روش‌های تبخیر، لایه‌ای نازک به ضخامت چند میکرون بر روی سطوحی مانند شیشه، پلیمر یا فلز ایجاد می‌شود. فناوری لایه نازک نه تنها فرآیند تولید را ساده‌تر می‌کند، بلکه به دلیل استفاده از لایه‌های بسیار نازک مواد نیمه‌رسانا، هزینه‌های مواد اولیه را نیز کاهش می‌دهد. انواع مختلفی از نیمه‌رساناها برای استفاده در سلول‌های لایه نازک پیشنهاد شده‌اند، اما سه نوع از آن‌ها بیشترین کاربرد را در صنعت دارند.

بیشتر بخوانید: ساختار سلول خورشیدی چیست؟
 

۱- فناوری سلول خورشیدی لایه نازک سیلیکون غیر بلوری (آمورف)

اولین نوع سلول‌های خورشیدی لایه نازک، سلول‌های سیلیکون غیر بلوری یا آمورف هستند که در مقیاس تجاری تولید می‌شوند و سهم عمده‌ای از بازار را به خود اختصاص داده‌اند. فرآیند تولید این سلول‌ها شامل قرار دادن لایه نازکی از سیلیکون به ضخامت چند میکرون بر روی سطوحی مانند شیشه، پلاستیک یا فلز است. این کار از طریق روش رسوب شیمیایی در فاز بخار (CVD) با استفاده از گاز سیلان و هیدروژن انجام می‌شود. مصرف سیلیکون در این روش تنها حدود ۱% میزان مورد نیاز برای سلول‌های بلوری است، که به طرز قابل توجهی هزینه تولید را کاهش می‌دهد. با این حال، ساختار غیر بلوری این سلول‌ها باعث کاهش بازده آن‌ها شده است، به طوری که بهترین بازده‌ آزمایشگاهی و صنعتی به ترتیب حدود ۱۳% و ۸% گزارش شده است.

۲- فناوری سلول خورشیدی لایه نازک کادمیوم تلوراید سلول‌های کادمیوم تلوراید

به عنوان یکی از نوآورانه‌ترین انواع سلول‌های لایه نازک، توانسته‌اند در عرصه تولید، با رقیب اصلی خود یعنی سیلیکون به رقابت بپردازند. این ماده مرکب، یک نیمه‌رسانای بلوری با شکاف انرژی ۱/۴۴ الکترون ولت است که معمولاً به همراه سولفید کادمیوم، ساختار سلول را تشکیل می‌دهد. در آزمایشگاه‌ها، این نوع سلول‌ها توانسته‌اند به بازدهی چشمگیر ۲۲% دست یابند که آن‌ها را در زمره ارزان‌ترین گزینه‌های موجود در بازار خورشیدی قرار می‌دهد. تولید سلول خورشیدی کادمیوم تلوراید در سال ۲۰۱۲ آغاز شد و پیش‌بینی می‌شود که در سال‌های آینده با رشد قابل توجهی همراه باشد. با این حال، دو چالش عمده، یعنی محدودیت دسترسی به تلوراید و مسائل زیست‌محیطی ناشی از کادمیوم، می‌تواند بر آینده این نوع سلول‌ها تأثیرگذار باشد.
 

۳- فناوری سلول خورشیدی لایه نازک CIGS

نوع دیگری از مواد غیرسیلیکونی که در فناوری لایه نازک به کار می‌رود، ترکیبی از عناصر گروه‌های یک، سه و شش جدول تناوبی است که شامل مس، ایندیوم، گالیوم و سلنیوم می‌شود. این سلول‌ها که به نام CIGS شناخته می‌شوند، به دلیل بازدهی بالا و هزینه‌های پایین مواد اولیه، به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های لایه نازک شناخته شده‌اند. سلول‌های CIGS نیز مانند سایر انواع سلول‌های لایه نازک، بر روی سطوحی مانند شیشه یا پلاستیک رسوب می‌شوند. بهترین بازدهی این سولارسل ¬ها به حدود ۲۳% می‌رسد که آن‌ها را به یکی از برترین گزینه‌ها در میان انواع سلول‌های لایه نازک تبدیل می‌کند. این ویژگی‌ها باعث شده تا CIGS به عنوان یک پیشرفت چشمگیر در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر شناخته شود.

کاربردهای سلول های خورشیدی لایه نازک

فناوری لایه نازک به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف دارند. این نوع سلول‌ها به دلیل وزن سبک، انعطاف‌پذیری و قابلیت تولید در مقیاس بزرگ، به عنوان یکی از گزینه‌های جذاب برای تولید انرژی خورشیدی شناخته می‌شوند.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای سلول‌های خورشیدی لایه نازک در ساختمان‌هاست. این سلول‌ها می‌توانند به راحتی بر روی سطوح مختلف مانند دیوارها و سقف‌ها نصب شوند و به تولید انرژی برق برای تأمین نیازهای روزانه کمک کنند. به ویژه در ساختمان‌های تجاری و مسکونی، این فناوری می‌تواند به کاهش هزینه‌های انرژی و افزایش بهره‌وری انرژی کمک کند.
علاوه بر این، این نوع سلول در تولید انرژی برای وسایل نقلیه الکتریکی نیز به کار می‌روند. با نصب این سلول‌ها بر روی سقف خودروها، می‌توان انرژی خورشیدی را به برق تبدیل کرده و برای شارژ باتری‌ها استفاده کرد. این موضوع می‌تواند در افزایش استقلال انرژی و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی تاثیر بگذارد.
در حوزه فناوری‌های پوشیدنی، لایه نازک ها به عنوان منبع انرژی برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند ساعت‌های هوشمند و گوشی‌های همراه استفاده می‌شوند. این فناوری به کاربران امکان می‌دهد تا بدون نیاز به شارژ مکرر، از دستگاه‌های خود بهره‌برداری کنند.