سلول‌های خورشیدی شفاف و انعطاف‌پذیر

آینده‌ای را تصور کنید که در آن سلول‌های خورشیدی تماماً در اطراف ما، از پنجره‌ها و دیوارها گرفته تا تلفن‌های همراه و رایانه‌های شخصی، وجود دارند. یک سلول خورشیدی شفاف و انعطاف‌پذیر در دانشگاه MIT گسترش داده شده‌است که آینده را یک قدم نزدیک‌تر می‌سازد.

این دستگاه از مواد ارزان قیمت کربنی با الکترودهایی از جنس گرافن و مواد انعطاف‌پذیر و شفاف تشکیل شده‌است. این پیشرفت در تکنولوژی سلول‌های خورشیدی به وسیله یک روش جدید، از قرار دادن لایه‌ای به ضخامت یک اتم از گرافن بر روی سلول‌های خورشیدی، بدون آسیب رساندن به مواد آلی حساس اطراف آن ایجاد شده‌است. تا به امروز، توسعه‌دهندگان سلول‌های خورشیدی شفاف، غالباً به الکترودهای گران قیمت و شکننده‌ای متکی بودند که زمانیکه دستگاه خم می‌شد، دچار شکست می‌شدند. در عوض، قابلیت استفاده از گرافن، امکان ایجاد سلول‌های خورشیدی واقعاً انعطاف‌پذیر، کم هزینه و شفاف را فراهم می‌کند که عملاً هر سطحی را به منبع انرژی الکتریکی تبدیل خواهد کرد.

سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک[1]که از ترکیبات عالی ساخته شده‌اند، مزایای متعددی را نسبت به سلول‌های خورشیدی سیلیکونی معدنی امروز ارائه می‌دهند. این سلول‌های خورشیدی ارزان‌تر بوده و ساده‌تر تولید می‌شوند. این سلول‌ها سبک‌تر و منعطف‌تر می‌باشند که این امر باعث می‌شود تا حمل و نقل آن‌ها به مناطق دورافتاده‌ای که در آن‌ها شبکه‌های مرکزی انرژی وجود ندارد، راحت‌تر شود و در عین حال این سلول‌ها می‌توانند شفاف نیز باشند. بسیاری از مواد آلی، اشعه‌های فرابنفش و مادون قرمز خورشید را جذب می‌کنند اما قسمت قابل مشاهده را که چشم غیرمسلح می‌تواند آن را تشخیص دهد، عبور می‌دهند. بنابراین، سلول‌های خورشیدی آلی می‌توانند بر روی سطوح موجود در اطراف ما نصب شوند و بدون آنکه متوجه حضورشان شویم، شروع به جمع‌آوری انرژی کنند.

پژوهشگران، پیشرفت قابل توجهی در دهه گذشته در زمینه توسعه سلول‌های خورشیدی آلی داشتند اما آن‌ها با یک مانع مستحکم مواجه شدند: پیدا کردن مواد مناسب برای الکترودهایی که جریان را از سلول خارج کنند.

پروفسور جینگ کونگ[2] از دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتری(EECS) در این باره می‌گوید: بندرت می‌توان موادی را در طبیعت پیدا کرد که هم رسانای الکتریسته بوده و هم شفاف باشند.

گزینه‌ای که امروز به طور گسترده از آن استفاده می‌شود، اکسید سرب(ITO) است. این ماده، رسانا و شفاف می‌باشد اما از طرف دیگر سخت و شکننده است. بنابراین، وقتی سلول خورشیدی خم می‌شود،‌ الکترود اکسید سربی تمایل به شکست و ترک خوردن دارد. علاوه براین، این ماده گران قیمت بوده و کمیاب است.

جایگزین امیدوارکننده اکسید سرب، گرافن است که نوعی کربن با ضخامت صفحه‌ای یک اتم و ویژگی‌های برجسته می‌باشد. این ماده، هدایت‌پذیری خوب، انعطاف پذیری و استحکام مناسب و شفافیت کافی دارد و همچنین ارزان قیمت بوده و همه جا در دسترس است. علاوه براین، یک الکترود گرافنی می‌تواند ضخامتی به اندازه فقط یک نانومتر که کسری از ضخامت یک الکترود اکسید سربی می‌باشد، داشته باشد. این خصلت باعث می‌شود تا گزینه مناسب‌تری برای سلول‌های خورشیدی نازک باشد.

چالش‌های استفاده از گرافن

   دو مشکل کلیدی، پذیرش الکترودهای گرافنی در بین عموم را کاهش داده‌است. اولین مشکل در قرار دادن الکترودهای گرافنی بر روی سلول‌های خورشیدی است. بیشتر سلول‌های خورشیدی بر روی بسترهایی مانند شیشه و یا پلاستیک ساخته می‌شوند. الکترود گرافنی زیرین، به صورت مستقیم بر روی بستر قرار داده می‌شود که این کار می‌تواند در طی فرآیندهایی که شامل آب، حلال‌ها و حرارت است، انجام گیرد. سپس لایه‌های دیگر افزوده می‌شوند و با لایه الکترود گرافنی فوقانی، پایان می‌یابند. اما قرار دادن این الکترود فوقانی بر روی سطحی که تحت عنوان “لایه انتقال حفره(HTL[3])” شناخته می‌شود، مهارت بالایی لازم دارد.

   یی سونگ[4]، دانشجوی مقطع فوق لیسانس EECS، همکار بخش انرژی Eni-MIT در بین سال‌های 2016 تا 2017 و عضو گروه نانومواد و الکترونیک کونگ، می‌گوید: لایه انتقال حفره(HTL) در آب حل می‌شود و مواد آلی زیر آن، حساسیت نسبتا زیادی به آب، حلال‌ها و گرما دارند. در نتیجه، همچنان محققان غالباً از یک الکترود اکسید سربی در لایه بالایی استفاده می‌کنند.

   مشکل دوم در استفاده از گرافن این است که دو الکترود لزوماً باید نقش‌های متفاوتی ایفا کنند. سهولت اجازه انتقال الکترون توسط ماده مورد نظر، به عنوان یک ویژگی تحت عنوان”تابع کارکرد[5]” شناخته می‌شود. اما در سلول‌های خورشیدی، تنها یکی از الکترودها باید اجازه دهد تا الکترون‌ها به راحتی جریان داشته باشند. در نتیجه، الکترودهایی که هر دو از گرافن ساخته شده‌اند، لازم است تا تابع کارکرد یکی از آن‌ها تغییر یابد. در این صورت الکترون‌ها می‌دانند که از کدام راه منتقل شوند. از طرف دیگر، تغییر تابع کارکردی هر ماده‌ای ساده نیست.

یک انتقال روان گرافنی

   در سه سال گذشته، کونگ و سونگ در حال کار برای حل این مشکلات بودند. آن‌ها ابتدا یک فرآیند برای لایه‌گذاری الکترودهای زیرین بر روی بسترهایشان، توسعه و بهبود دادند.

   در آن فرآیند، آن‌ها یک ورقه گرافن روی فویل مسی رشد می‌دهند. سپس آن را به وسیله یک تکنیک که توسط کونگ و همکارانش در سال 2008 میلادی ارائه شده‌است، بر روی بستر منتقل می‌کنند. آن‌ها یک لایه پلیمری را بر روی ورقه گرافنی برای حمایت از آن، قرار می‌دهند و سپس از یک محلول اسیدی استفاده می‌کنند تا فویل مسی را به پشت برگردانند تا در نهایت به یک پشته[6] گرافن/ پلیمر تبدیل شود که در آخر نیز برای شستشو به آب منتقل خواهد شد. در ادامه، آن‌ها پشته گرافن/ پلیمر شناور شده را همراه با بستر، برداشته و لایه پلیمر را با استفاده از گرما و یا استون شستشو می‌دهند. در انتها یک الکترود گرافنی که بر روی بستر استوار است، بدست می‌آید.

   مسئله‌ای که وجود دارد این است که خارج کردن الکترود بالایی از آب امکان‌پذیر نیست. به این ترتیب، آن‌ها به جای این کار، پشته گرافن / پلیمر شناور شده را با فشردن یک قاب لاستیک سیلیکونی بر روی آن، آن‌ را تبدیل به نوعی مهر[7] می‌کنند. با چنگ زدن به قاب مورد نظر به وسیله موچین‌ها[8]، پشته‌ها را بلند کرده و آن‌ها را خشک می‌کنند و در ادامه آن را بر روی لایه انتقال حفره(HTL) قرار می‌دهند. سپس با مقداری گرم کردن، می‌توان مهر لاستیک سیلیکونی و لایه حمایت‌کننده پلیمری را از بین برد و گرافن را بر روی لایه انتقال حفره باقی گذاشت.

   در ابتدا، الکترودهایی که سونگ و کونگ با استفاده از این فرآیند ساخته بودند، عملکرد خوبی نداشتند. تست‌ها نشان داد که لایه گرافن اتصال محکمی به لایه انتقال حفره ندارد، بنابراین نمی‌تواند جریان را به خوبی از خود عبور دهد. حل این مشکل به سادگی امکان‌پذیر نخواهد بود. حرارت کافی برای آنکه گرافن را به یک ماده چسبنده تبدیل کند، به اجزای حساس آسیب خواهد رساند و همچنین قرار دادن برخی از انواع چسب‌ها در زیر لایه گرافنی، قبل از قرار دادن آن بر روی لایه انتقال حفره، دو لایه را به یکدیگر می‌چسباند ولی این کار در اصل به جای افزایش تماس، موجب کاهش تماس بین دو لایه می‌شود.

   سونگ به این نتیجه رسید که ممکن است افزودن چسب به مهر، راه حل مورد نظر باشد اما نه به عنوان اینکه یک لایه در زیر گرافن، استفاده شود.

   وی در این‌باره گفت: ما به این موضوع فکر کردیم که اگر ما این پلیمر بسیار نرم و چسبنده را بر روی گرافن اسپری کنیم، چه اتفاقی می‌افتد. این امر در تماس مستقیم با لایه انتقال حفره نخواهد بود اما چون گرافن بسیار نازک است، شاید خواص چسبندگی آن از این طریق باقی بماند.

   برای ارزیابی این ایده، محققان یک لایه اتیلن وینیل استات(EVA)[9] به مهر بدست آمده، دقیقا بر روی گرافن، اضافه کردند. لایه اتیلن وینیل استات بسیار نازک و انعطاف‌پذیر است(مشابه آنچه که در بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود) و می‌تواند به راحتی جدا شود. اما آن‌ها دریافتند، لایه پلیمری که بعداً می‌آید، آن‌ها را باهم نگه می‌دارد و این تنظیم همانطور که سونگ امیدوار بود، کار می‌کرد. فیلم اتیلن وینیل استات، محکم به لایه انتقال حفره و مطابق با هر ویژگی زبری میکروسکوپی سطح بود و همچنین لایه زیرین گرافنی را نیز مجبور به عملکردی مشابه و متناسب می‌کرد.

   این فرآیند نه تنها عملکرد کلی را بهبود می‌بخشد بلکه یک مزیت جانبی غیرمنتظره نیز به ارمغان می‌آورد. محققان بر این عقیده بودند که مأموریت بعدی آن‌ها پیدا کردن راهی برای تغییر تابع کارکردی الکترود گرافنی بالایی است که از الکترود پایینی متفاوت باشد تا جریان الکترون یکنواختی را ایجاد کند. اما این گام، دیگر ضرورتی ندارد زیرا تکنیک آن‌ها برای قرار دادن گرافن بر روی لایه انتقال حفره، در اصل تابع کارکردی الکترود را نیز دقیقاً مشابه آنچه که می‌خواستند، تغییر داده بود.

   سونگ گفت: ما خوش‌شانس بودیم. الکترودهای بالایی و پایینی ما، دقیقا همان تابع کارکردی را پیدا کرده بودند که ما از فرآیندهای دیگر می‌خواستیم آن را بدست آوریم.

قراردادن الکترودها برای آزمایش

   برای مشاهده چگونگی عملکرد الکترودهای گرافنی، لازم است تا محققان آن‌ها را با سلول‌های خورشیدی ترکیب کنند. برای این کار، آن‌ها از ساخت و طراحی آزمایشگاه خورشیدی همکاران خود، ولادیمیر بولویچ[10] و فریبرز مسیح[11](سال 1990 میلادی)، استاد فناوری‌های در حال توسعه و دانشیار نوآوری دانشکده مهندسی، استفاده کردند.

   برای مقایسه، آن‌ها یک سری از سلول‌های خورشیدی را بر روی بستری از شیشه جامد، با الکترودهای ساخته شده از گرافن، اکسید سرب و آلمینیوم(مواد استاندارد الکترود) ساختند. چگالی‌های جریان یا CD (مقدار جریان جاری شده در واحد سطح) و بازده تبدیل انرژی یا PCE(کسری از انرژی خورشیدی در حال تبدیل به برق) برای دستگاه‌های جدید انعطاف‌پذیر گرافن / گرافن و دستگاه‌های استاندارد گرافن / اکسید سرب، تطابق‌پذیر بود. این مقادیر پایین‌تر از دستگاه‌هایی با یک الکترود آلمینیومی بود اما این یافته‌ای بود که آن‌ها انتظارش را داشتند.

   کونگ می‌گوید: یک الکترود آلمینیومی در زیر، مقداری از نور ورودی را به داخل سلول خورشیدی منعکس می‌کند. بنابراین، این دستگاه، در حالت کلی می‌تواند انرژی بیشتری را نسبت به یک دستگاه شفاف از خورشید جذب کند.

   بازده تبدیل انرژی(PCE) برای تمام دستگاه‌های گرافن / گرافن – بر روی بسترهای شیشه‌ای تا بسترهای انعطاف‌پذیر – بین 8/2 تا 1/4 درصد متغیر بود. محققان می‌گویند که این مقادیر، بسیار پایین‌تر از بازده تبدیل انرژی پنل‌های خورشیدی تجاری هستند اما این مقادیر در مقایسه با بازده‌های تبدیل انرژی دستگاه‌های نیمه شفافی که در کار قبلی با الکترودهای گرافنی ساخته شده‌بودند، پیشرفت قابل توجهی دارند.

   اندازه‌گیری شفافیت دستگاه‌های گرافن / گرافن نتایج نویدبخش بیشتری را نمایان می‌سازد. چشم انسان می‌تواند نور را در طول موج‌های بین 400 تا 700 نانومتر تشخیص دهد. همه دستگاه‌های گرافنی، عبوردهی نور به میزان 61 درصد را در تمامی رژیم‌های قابل مشاهده و تا 69 درصد عبوردهی را در طول موج 550 نانومتر را نشان دادند. کونگ در این‌باره می‌گوید: این مقادیر(مقادیر عبوردهی)، در مقالات، در بازه‌ی مقادیر بالا برای سلول‌های خورشیدی همراه با تطابق بازده‌های تبدیل انرژی قرار می‌گیرد.

بسترهای انعطاف‌پذیر، رفتار خمشی

   محققان خاطر نشان کردند که سلول‌های خورشیدی آلی را می‌توان بر روی هر نوع سطحی اعم از سخت، انعطاف‌پذیر، شفاف و یا کدر قرار داد. کونگ می‌گوید: برای مثال اگر شما بخواهید آن را بر روی سطح ماشینتان قرار دهید، گزینه مناسبی خواهد بود و شما قادر به دیدن آنچه که در اصل وجود دارد، خواهید شد.

   برای نشان دادن این قابلیت‌پذیری، دستگاه‌های گرافن / گرافن خود را بر روی بسترهای انعطاف‌پذیر از جمله کاغذ پلاستیکی، کاغذ مات و نوار کاپوت نیمه‌شفاف قرار دادند. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که عملکرد دستگاه‌ها در سه سطح انعطاف‌پذیر، تقریباً برابر است و تنها مقداری کمتر از آن‌هایی است که بر روی شیشه، احتمالاً به دلیل سطوح زبرتر و در نتیجه تماس بیشتر می‌باشد.

   قابلیت قرار دادن سلول‌های خورشیدی بر هر سطحی باعث می‌شود تا امیدواری بیشتری برای استفاده از آن‌ها در الکترونیک‌های مصرفی به وجود آید. زمینه‌ای که در سراسر جهان به سرعت در حال رشد است. به عنوان مثال، سلول‌های خورشیدی می‌توانند به صورت مستقیم بر روی تلفن‌های همراه و رایانه‌های شخصی ساخته شود و یا به صورت جداگانه ساخته شده و سپس روی آن‌ها قرار گیرد. تغییری که باعث کاهش قابل توجه هزینه‌های تولید خواهد شد.

   آن‌ها همچنین برای ابزارهای آینده مانند سلول‌های خورشیدی بر روی پوست و چوب و همچنین الکترونیک‌های کاغذی مناسب خواهند بود. از آنجایی که این دستگاه‌ها ناگریز دچار خمش و پیچ‌خوردگی می‌شدند، محققان نمونه‌های خود را به همان شکل تحت آزمایش قرار دادند. در حالیکه تمامی دستگاه‌هایشان – از جمله آن‌هایی که شامل الکترودهای اکسید سرب می‌شدند – به صورت مداوم تاه می‌خوردند و آن‌هایی که با الکترودهای گرافنی بودند، قبل از آنکه خروجی ‌آن‌ها شروع به کاهش کند، می‌توانستند به شدت خم شوند.

اهداف آینده

  محققان اکنون در تلاش برای بهبود کارآیی سلول‌های خورشیدی آلی مبتنی بر گرافن، بدون آسیب رساندن به شفافیت آن‌ها می‌باشند(افزایش مقدار منطقه فعال، بازدهی تبدیل انرژی(PCE) را افزایش می‌دهد اما شفافیت کاهش می‌یابد). با توجه به محاسبات آن‌ها، حداکثر بازدهی تبدیل انرژی قابل دستیابی به صورت تئوری در سطح شفافیت مورد نظر آن‌ها، 10 درصد می‌باشد.

   سونگ در این‌باره می‌گوید: بازدهی تبدیل انرژی ما در حد 4 درصد می‌باشد و این یعنی ما هنوز جا برای کار کردن داریم.

   آن‌ها اکنون در این فکر هستند که چگونه می‌توانند سلول‌های خورشیدی خود را در دستگاه‌های بزرگ منطقه‌ای مورد نیاز، برای پوشاندن کل پنجره‌ها و دیوارها که بتوانند به وسیله آن به طرز مؤثری انرژی تولید کنند و همچنین با چشم غیرمسلح قابل دیدن نباشند، قرار دهند.

   این تحقیق توسط شرکت انرژی ایتالیایی Eni S.P.A به عنوان عضوی از اتحاد مرکز مرزهای خورشیدی Eni-MIT، حمایت شد. Eni عضو مؤسسه انرژی MIT Energy Initiative است.

   این مقاله در بهار سال 2017 میلادی، با موضوع Energy Futures در مجله MIT Energy Initiative منتشر شد.

-ترجمه از سیدسجاد میرفائقی-

• [1] Photovoltaic solar cells
• [2] Jing Kong
• [3] hole transport layer
• [4] Yi Song
• [5] work function
• [6] Stack
• [7] Stamp
• [8] Tweezers
• [9] ethylene-vinyl acetate
• [10] Vladimir Bulovic
• [11] Fariborz Maseeh