چگونه رکورد کارایی سلول‌های خورشیدی را می‌توان شکست؟

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، پژوهشگران در استرالیا الگوریتمی برای محاسبه اندازه و تراکم دقیق نقاط کوانتومی لازم برای افزایش کارایی صفحات خورشیدی ارائه کرده‌اند. محققان دانشگاه موناش استرالیا، بر این باورند که اگر نتایج آن‌ها کاملاً محقق شود، سلول‌های خورشیدی می‌توانند با بازدهی بسیار بالاتر از سلول‌های خورشیدی پیشین داشته باشند.

مدت‌هاست که فناوری نقاط کوانتومی به دلیل پتانسیل بالای آن‌ها برای غلبه بر محدودیت‌های کارایی سلول‌های خورشیدی مورد بررسی قرار گرفته است، که معمولاً توسط حد کارایی Shockley-Queisser در حدود ۳۳ درصد محدود می‌شود.

از نقاط کوانتومی می‌توان در همجوشی نور (یا تبدیل فتوشیمیایی) استفاده کرد، جایی که نور «هدر رفته» در یک سلول خورشیدی تبدیل به جریان الکتریکی می‌شود. در فرایند همجوشی نور از یک «حساس‌کننده» نور و «ساطع‌کننده» استفاده می‌شود تا نور برای تبدیل فوتون‌هایی با انرژی کمتر از باندگپ سلول خورشیدی به فوتون‌هایی با انرژی بالاتر تبدیل می‌شود. با این کار میزان نوری را که سلول خورشیدی می‌تواند به‌طور مولد استفاده کند، افزایش می‌دهد، از این رو، کارایی آن نیز افزایش می‌یابد.

تحقیقات موجود در مورد استفاده از فناوری نقاط کوانتومی در سلول‌های فتوولتائیک نشان داده است که حساس‌کننده‌های نقاط کوانتومی از مواد آلی که به‌طور رایج در همجوشی نور استفاده می‌شوند، عملکرد بهتری دارند. این به‌دلیل پایداری نوری و خاصیت جذب بالای نقاط کوانتومی است.

محققان دانشگاه موناش در انتخاب مواد حساس کننده تصمیم گرفتند با نقاط کوانتومی از گروه عناصر IV-VI کار کنند، زیرا آن‌ها دارای سطح انرژی لازم بوده و می‌توانند در مقیاس وسیعی سنتز و به‌گونه‌ای طراحی شوند که برای جذب نور زیر باند گپ رایج در سلول خورشیدی سیلیکونی کار کنند.

از خانواده نقاط کوانتومی IV-VI، سولفید سرب (PbS) به‌دلیل فراوانی عنصری و به دلیل سنتز زیاد در آزمایشگاه‌ها، برای این تحقیق انتخاب شد.

محققان دانشگاه موناش دریافتند که حساس‌کننده‌های نقطه کوانتومی PbS با شعاع کوانتومی تقریباً ۲/۲ نانومتر نتایج بهینه‌ای را در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی ایجاد می‌کند و رقم آن بیش از رکورد فعلی است.

این واقعیت که این نتایج در یک محیط سیلیکونی به‌دست آمده، یک امتیاز قابل توجه است. در آزمایش‌های معمول از حساس‌کننده‌های آلی استفاده می‌شود که با سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سازگار نیستند. با توجه به اینکه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی فناوری فتوولتائیک غالب هستند، این موضوع یک محدودیت تجاری قابل توجه است.

این یافته‌ها همچنین درک پیچیده‌تری از چگونگی ارتباط یک نقطه کوانتومی با دامنه طیف نور گرفته شده توسط سلول خورشیدی و تأثیر آن بر بازده انرژی را ارائه می‌دهد. نقاط کوانتومی PbS اصولاً با تمام فتوولتائیک‌ها که باندگپ بزرگتری از PbS توده‌ای دارند، سازگار هستند. این فناوری این پتانسیل را دارد که به اندازه کافی ارزان باشد که بتوان از آن در تولید انبوه استفاده نمود.