سلول خورشیدی پشت سر هم با سیلیکون و پروسکایت راه را برای خورشیدی با راندمان بالا و کم هزینه هموار می کند. از آنجایی که ساخت سلول‌های خورشیدی بسیار پرهزینه بود، تنها در کاربردهای خاص، مانند فضاپیماها، که عملکرد مهم‌تر از هزینه بود، استفاده می‌شد.
هدف اصلی بسیاری از تاریخ صنعت انرژی خورشیدی:
- راندمان تبدیل نور خورشید به الکتریسیته را به حداکثر برساند.
اکنون تولید سلول های خورشیدی هزینه کمتری دارد. این هدف صنعت را وارد فاز سوم کرده است. افزایش راندمان و در عین حال تولید کم هزینه.
بیشتر سلول های فتوولتائیک خورشیدی تجاری از سیلیکون ساخته می شوند. برای افزایش راندمان، یکی از بهترین گزینه ها ساخت سلول های خورشیدی پشت سر هم است. یعنی سلول هایی که از مواد جاذب نور متعددی استفاده می کنند. برای چشم انداز، سلول های خورشیدی سیلیکونی دارای بازده رکورد 25.6٪ هستند. با استفاده از یک ماده جاذب نور، حد تئوری بازده 34٪ است. استفاده از دو ماده جاذب نور در پشت سر هم محدودیت نظری را به 46 درصد بازده می رساند.
سلول های خورشیدی پشت سر هم را از دو ماده جاذب نور خواهند ساخت: سیلیکون و پروسکایت متال هالید، ماده ای جدید با پتانسیل ساخت با هزینه کم.
این پیشرفت‌ها شالوده سلول‌های خورشیدی پشت سر هم سیلیکون پروسکایت را ایجاد می‌کند و ممکن است مسیری رو به جلو برای صنعت خورشیدی برای ساخت سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا و کم هزینه فراهم کند.
جذب نور بیشتر
یکی از راه های کاهش هزینه های خورشیدی، بهبود کارایی پنل های خورشیدی است. با راندمان بالاتر، پنل ها یا ماژول های کمتری باید نصب شوند تا به هدف توان مورد نظر برسند. این یعنی نیروی کار کمتر، زمین کمتر و سخت افزار کمتر.
برای درک اینکه چرا یک سلول پشت سر هم کارایی را افزایش می دهد، باید به نحوه واکنش مواد مختلف سلول خورشیدی به نور ورودی نگاه کرد.
نور خورشید از طیف گسترده ای از انرژی ها تشکیل شده است. از نور ماوراء بنفش و نور مرئی که سطح انرژی بالاتری دارند تا نور مادون قرمز که انرژی کمتری دارد. یک سلول خورشیدی از یک ماده نیمه رسانا مانند سیلیکون برای جذب نور خورشید و تبدیل آن به نیروی الکتریکی استفاده می کند. یک نیمه هادی دارای خاصیت خاصی به نام bandgap است که به آن اجازه می دهد هم نور را جذب کند و هم انرژی نور را به عنوان الکتریسیته استخراج کند.
سیلیکون
اکثر پنل های خورشیدی دارای یک ماده جاذب واحد مانند سیلیکون هستند. هنگام انتخاب فاصله باند ماده جاذب، یک معاوضه وجود دارد. با فاصله باند کوچکتر، طیف وسیع تری از انرژی خورشید را می توان جذب کرد و جریان بیشتری تولید کرد. با این حال، فاصله باند کوچکتر همچنین به معنای ولتاژ کمتری است که در آن جریان الکتریکی می تواند استخراج شود. از آنجا که توان الکتریکی ولتاژ ضرب در جریان است، یک نقطه شیرین وجود دارد. فاصله باند بسیار کوچک و سلول خورشیدی جریان زیادی را تولید می کند اما ولتاژ کمی تولید می کند و برعکس برای یک باند بسیار بزرگ.
Tandems این مبادله را به حداقل می رساند. هنگام استفاده از دو جاذب، هر جاذب در بخشی از طیف خورشیدی تخصص دارد نه یک جاذب منفرد که مسئول کل طیف خورشیدی است. اولین جاذب مسئول تمام ذرات مرئی و فرابنفش نور یا فوتون ها است. در زیر آن، جاذب دوم مسئول فوتون های مادون قرمز است. داشتن این جاذب های تخصصی اتلاف انرژی را به حداقل می رساند که وقتی نور خورشید به عنوان گرما از دست می رود، نه جریان الکتریکی.
از پروسکایت متال هالید به عنوان اولین جاذب در پشت سر هم برای جذب نور ماوراء بنفش و مرئی و سیلیکون به عنوان جاذب دوم برای جذب نور مادون قرمز استفاده میکنند.
پروسکایت متال هالید: جاذب تخصصی
یک ماده جدید فتوولتائیک محبوب، پروسکایت متال هالید است. کلمه پروسکایت در واقع ساختار کریستالی هر ماده ای را توصیف می کند. این ساختار کریستالی از سه جزء به نسبت 1:1:3 ساخته شده است. پروسکایت متال هالید مورد استفاده برای فتوولتائیک یک قسمت فلز (معمولا سرب)، سه قسمت هالید (معمولا ید) و یک قسمت مولکول آلی (معمولاً یک مولکول به نام متیل آمونیوم) است. هنگامی که سرب، ید و متیل آمونیوم در یک ساختار کریستالی پروسکایت ترکیب می شوند، یک ماده نیمه رسانا تشکیل می شود.
پروسکایت متال هالید یک ماده کمیاب و هیجان انگیز است. این سلول به خوبی به عنوان یک سلول خورشیدی عمل می کند و در جذب فوتون های فرابنفش و مرئی تخصص دارد. به دلایلی، مواد بسیار کمی به خوبی سلول های خورشیدی کار می کنند و تعداد بسیار کمی از این مواد سلول خورشیدی در این بخش از طیف خورشیدی تخصص دارند. این یک دلیل اصلی است که سلول های خورشیدی پشت سر هم به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته اند.
می توان آن را به طور کامل با استفاده از فرآیندهای مشابه چاپ روزنامه تشکیل داد. پروسکایت به عنوان محلولی شبیه جوهر حل می شود و روی یک لایه شیشه یا سیلیکون چاپ می شود، همانطور که روزنامه روی کاغذ چاپ می شود. این فرآیندها بسیار ارزان هستند. چیزی که شاید شگفت‌انگیزترین باشد این است که سلول خورشیدی وقتی به این شکل ساخته می‌شود، به خوبی کار می‌کند. بیشتر فناوری‌های سلول خورشیدی که به خوبی کار میکنند به فرآیندها و ابزارهای گران قیمت یا تخصصی نیاز دارند.
نمونه سازی پشت سر هم
در آزمایش‌ها، دو لایه منحصر به فرد برای یک سلول خورشیدی پشت سر هم ایجاد شده که در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی معمولی استفاده نمی‌شود. یک لایه اتصال الکتریکی به نام اتصال تونل از سیلیکون ساخته شده که دو ماده جاذب نور را به هم متصل می کند.
یک الکترود شفاف ساخته شده که جریان الکتریسیته را هدایت می‌کند و در عین حال اجازه می‌دهد نور از آن عبور کند تا سلول خورشیدی را به سیم‌های خارجی متصل کند تا بتوان برق را استخراج کرد. این الکترود شفاف را از شبکه‌ای از نانوسیم‌های نقره که شبیه به یک حصار زنجیره‌ای ساخته شده است. از سیم‌هایی است که هزار بار نازک‌تر از عرض یک موی انسان است. با این لایه‌ها، می‌توان لایه‌های دیگر را در یک سلول خورشیدی چند لایه طراحی کرد.
طراحی مواد جاذب نور به صورت پشت سر هم تفاوت قابل توجهی با سلول های خورشیدی استاندارد دارد. در حالی که کار زیادی برای انجام دادن وجود دارد، این سلول های خورشیدی پشت سر هم ساخته شده از سیلیکون و پروسکایت متال هالید، نوید قابل توجهی برای ادامه تکامل صنعت خورشیدی دارند.