چگونه مواد جدید می توانند پنل های خورشیدی را ارزان تر و بهتر از همیشه کنند

ایجاد: 30 اکتبر 2022

هزینه تبدیل نور خورشید به برق در دهه گذشته بیش از 90 درصد کاهش یافته است. انرژی خورشیدی اکنون ارزان ترین شکل تولید انرژی جدید است.

اما کل کار انجام شد؟ نه کاملا. در حال حاضر، انرژی خورشیدی با قیمت های مقرون به صرفه به خوبی کار می کند و می تواند به ما کمک کند تا میزان انتشار گازهای گلخانه ای را به میزان قابل توجهی کاهش دهیم. اما با کمتر از پنج درصد از برق جهان که از طریق انرژی خورشیدی تحویل داده می شود، ما تازه در آغاز راه هستیم.

پنل های خورشیدی سال 2022 مانند تلفن های همراه  دهه 1990 هستند. خیلی بیشتر از اینها  با همین فناوری زیربنایی امکان پذیر است.

استرالیا احتمالا نقشی کلیدی در پیشرفت جهانی ایفا خواهد کرد. برای دهه ها، ما در خط مقدم توسعه و استقرار فناوری خورشیدی بوده ایم. ما رکورد عملکرد سلول های خورشیدی سیلیکونی را در 30 سال از 40 سال گذشته داشته ایم. ما اکنون بیش از هر کشور دیگر OECD سرانه انرژی خورشیدی مستقر کرده ایم که نزدیک به 15 درصد از نیاز برق ما را تامین می کند. بیش از 80 درصد از پنل های خورشیدی جدید جهان به سلول PERC، یک فناوری توسعه یافته در استرالیا، متکی هستند.

پس آینده خورشیدی چیست؟ صدها محقق در سراسر استرالیا بر دو هدف متمرکز هستند: کاهش بیشتر هزینه ها و تولید حداکثر برق ممکن از نور خورشید.

چرا انرژی خورشیدی نیاز به بهبود دارد؟

انرژی خورشیدی این پتانسیل را دارد که صنایع، حمل و نقل و شیوه زندگی ما را متحول کند – اگر فناوری را تا آنجا که می تواند پیش ببریم.

الکتریسیته فوق‌العاده ارزان، فرصت‌های زیادی را باز می‌کند، از تبدیل آب به هیدروژن سبز برای ذخیره انرژی یا استفاده در فرآیندهای صنعتی گرفته تا برق‌رسانی به حمل‌ونقل، سیستم‌های انرژی، و هر چیز دیگری که از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌کنیم.سال گذشته، آژانس انرژی های تجدیدپذیر استرالیا چشم انداز خود را برای انرژی خورشیدی بسیار کم هزینه ارائه کرد. هدف بلندپروازانه اما قابل دستیابی است.

تا سال 2030، آژانس می‌خواهد سلول‌های خورشیدی تجاری به 30 درصد راندمان برسد، در حالی که امروز 22 درصد افزایش یافته است. می‌خواهد هزینه‌های سیستم کامل در مقیاس بزرگ (پانل‌ها، اینورترها و انتقال) 50 درصد به 30 سنت در هر وات کاهش یابد.

این امر به تحقیقات فشرده نیاز دارد. بیش از 250 محقق استرالیایی در مرکز استرالیا برای فتوولتائیک پیشرفته، که همکاری بین شش دانشگاه و CSIRO است، برای رسیدن به این اهداف کار می کنند.

آیا سیلیکون واقعا می تواند به ارایه خود ادامه دهد؟

سلول های خورشیدی نور خورشید را بدون هیچ قسمت متحرک به الکتریسیته تبدیل می کنند. هنگامی که نور خورشید به سیلیکون – ماده ای که معمولا در سلول های خورشیدی استفاده می شود – برخورد می کند، انرژی آن الکترونی را آزاد می کند که می تواند در درون ماده حرکت کند، درست همانطور که الکترون ها در سیم ها یا باتری ها حرکت می کنند.

پنل های خورشیدی روی سقف شما احتمالاً به صورت استفاده از  ماسه صحرا شروع شده، به سیلیس ذوب شده، به سیلیکون تصفیه شده و دوباره تصفیه شده تا 99.999 درصد پلی سیلیکون خالص را تشکیل دهد. برای چندین دهه، این ماده همه کاره در قلب موفقیت خورشیدی بوده است. مهمتر از همه، مقیاس پذیر است – از اندازه سر سوزن گرفته تا آرایه هایی که کیلومتر مربع را پوشش می دهند.

اما برای به دست آوردن حداکثر مطلق نور خورشید که روی این پانل ها می افتد، باید از سیلیکون فراتر برویم. تنها با سیلیکون نمی توانیم به بازده 30 درصدی برسیم.

یک ساندویچ خورشیدی. از آنجایی که سیلیکون تنها می تواند حداکثر 34 درصد نور مرئی را جذب کند، محققان بر روی افزودن لایه هایی از مواد دیگر برای گرفتن طول موج های مختلف نور متمرکز هستند.

پروسکایت ها یکی از گزینه ها هستند. این خانواده از مواد را می توان از یک منبع مایع چاپ یا روکش کرد که پردازش آنها را ارزان می کند. وقتی این ماده را روی سیلیکون قرار می دهیم، شاهد یک جهش بزرگ در بازده سلول خورشیدی هستیم.

اگرچه امیدوار کننده است، اما هنوز مشکلاتی برای صاف کردن وجود دارد – به طور خاص، اطمینان از اینکه پروسکایت ها می توانند بیش از 20 سال را که از پانل های سیلیکونی انتظار داریم دوام بیاورند.

محققان همچنین در حال بررسی مواد دیگری مانند پلیمرها و کالکوژنیدها هستند، گروهی از کانی‌های رایج از جمله سولفیدها که در سلول‌های خورشیدی نازک و انعطاف‌پذیر امیدوارکننده هستند.

هر ماده جدید نه تنها باید در تبدیل نور خورشید به الکترون به خوبی کار کند، بلکه باید در پوسته زمین فراوان باشد، با هزینه کم در دسترس باشد و به اندازه کافی پایدار باشد که طول عمر طولانی را تضمین کند. به عنوان مثال، کالکوژنیدها از عناصر رایجی مانند مس، قلع، روی و گوگرد ساخته می شوند.

اگر بتوانیم بازدهی 30 درصدی را به دست آوریم، سود بسیار زیادی را به همراه خواهد داشت. هزینه های ایجاد یک مزرعه خورشیدی بزرگ کاهش می یابد. با سلول‌های خورشیدی کارآمدتر، به پنل‌های کمتر و زمین کمتری برای همان توان خروجی نیاز دارید.

همچنین سوخت های فسیلی را حتی کمتر رقابتی می کند. نیروی زغال سنگ و موتورهای اتومبیل حدود 33 تا 35 درصد کارآمد هستند، به این معنی که بیشتر انرژی موجود در سوخت های فسیلی در واقع به عنوان گرما و صدا از دست می رود. برای تامین مداوم سوخت نیز باید هزینه پرداخت کنید. پس از تأسیس نیروگاه، انرژی خورشیدی و بادی بدون هیچ هزینه ای ارائه می شود.

چگونه می توانیم هزینه ها را بیشتر کاهش دهیم؟

در حال حاضر، هزینه انرژی خورشیدی جدید در استرالیا 50 دلار استرالیا به ازای هر مگاوات ساعت است. (زغال‌سنگ سیاه حدود 100 دلار در مگاوات ساعت است.) این طبق ارزیابی CSIRO در سال‌های 2021–22 از هزینه‌های انرژی است.

تا سال 2030، آژانس انرژی های تجدیدپذیر ما می خواهد آن را به 15 دلار در مگاوات ساعت یا 1.5 سنت در هر کیلووات ساعت کاهش دهد. انرژی خورشیدی با این هزینه – همراه با ذخیره سازی – انرژی کم هزینه و قابل اعتماد را 24/7 ارائه می کند.با افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی، به دلیل دوام بیشتر ماژول‌ها، و با یافتن راه‌های مقرون‌به‌صرفه‌تر برای تولید و به کارگیری فناوری‌های خورشیدی، هزینه‌ها کاهش می‌یابد.

الکتریسیته خورشیدی بسیار کم هزینه تحول آفرین خواهد بود و به استرالیا امکان می دهد قابلیت های جدیدی در صنایع فعلی و نوظهور ایجاد کند، مانند تبدیل هیدروژن و آمونیاک به منابع سوخت، پردازش سبز فولاد و آلومینیوم و حتی پردازش خود سیلیکون. می تواند پنل های خورشیدی بیشتری بسازد.

حتی با وجود فناوری امروزی، انتظار می‌رود تقاضا برای انرژی خورشیدی در ده سال آینده دو برابر و دوباره دو برابر شود. این بدان معناست که نیاز به کشف اینکه چگونه صنعت خورشیدی می تواند به طور پایدار رشد کند وجود خواهد داشت – و چگونه می توان پنل های خورشیدی را بازیافت کرد، زیرا پانل های خورشیدی اولیه به پایان عمر مفید خود می رسند و نیاز به تجدید دارند.

نوآوری استرالیایی رونق خورشیدی را آغاز کرد. با تشدید تغییرات اقلیمی – و نیاز به انرژی پاک و تولید شده در محل افزایش می‌یابد – این کشور آفتابی ممکن است بار دیگر بتواند به سرعت بخشیدن به دور شدن جهان از سوخت‌های فسیلی کمک کند.

نویسنده: Renate Egan، پروفسور، رهبر UNSW، مرکز استرالیایی فتوولتائیک پیشرفته، UNSW سیدنی

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است.