سلولهای خورشیدی تندم نوعی از فناوریهای پیشرفته در زمینه انرژی خورشیدی هستند که با ترکیب چندین لایه جذبکننده نور، بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به برق را افزایش میدهند. این سلولها با استفاده از مواد مختلف که هر کدام بخشی از طیف نور خورشید را جذب میکنند، محدودیتهای سلولهای تکلایه را پشت سر میگذارند. در واقع، سلولهای خورشیدی تندم میتوانند انرژی بیشتری از نور خورشید استخراج کنند و به عنوان یک راهحل کارآمد برای تولید برق پاک شناخته میشوند. این فناوری بر پایه اصول فیزیکی جذب فوتونها بنا شده و در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است.
در سلول خورشیدی تندم، لایههای مختلف با شکاف انرژی متفاوت روی هم قرار میگیرند تا فوتونهای با انرژی بالا توسط لایه بالایی جذب شوند و فوتونهای با انرژی پایینتر به لایههای زیرین برسند. این رویکرد اجازه میدهد تا از طیف وسیعتری از نور خورشید استفاده شود و تلفات حرارتی کاهش یابد. سلولهای تندم معمولاً از مواد نیمهرسانا مانند سیلیکون و پروسکایت ساخته میشوند که هر کدام نقش خاصی در فرآیند تبدیل ایفا میکنند. این ترکیب نه تنها بازدهی را بالا میبرد، بلکه امکان تولید سلولهای انعطافپذیر و سبک را فراهم میکند.
سلولهای خورشیدی تندم در مقایسه با سلولهای سنتی، قابلیت جذب نور در طول موجهای متنوع را دارند و میتوانند به بازدهی بیش از سی درصد دست یابند. این فناوری با تمرکز بر بهینهسازی جذب نور، به کاهش هزینههای تولید برق خورشیدی کمک میکند و در کاربردهای مختلف از جمله پنلهای خورشیدی خانگی تا سیستمهای بزرگمقیاس مورد استفاده قرار میگیرد. توسعه این سلولها بخشی از تلاشهای جهانی برای گذار به انرژیهای تجدیدپذیر است.
سلول خورشیدی تندم چیست؟
سلولهای خورشیدی تندم با قرار دادن چندین لایه نیمهرسانا روی یکدیگر، بخشی از نور خورشید را که در سلولهای معمولی هدر میرود، به برق تبدیل میکنند. هر لایه شکاف انرژی متفاوتی دارد و فوتونهای با طول موج خاص را جذب میکند. لایه بالایی فوتونهای پر انرژی را میگیرد و لایههای زیرین انرژی باقیمانده را برداشت میکنند. این روش تلفات حرارتی را به شدت کاهش میدهد و بازدهی را از حدود بیست درصد سلولهای سیلیکونی به بیش از سی درصد میرساند.
در عمل، سلولهای تندم مانند فیلترهای هوشمند نور عمل میکنند. نور سفید خورشید وارد لایه اول میشود، بخشی جذب و بخشی عبور میکند. لایه دوم طول موجهای طولانیتر را میگیرد و همین روند ادامه مییابد. نتیجه نهایی جریانی الکتریکی است که ولتاژ آن مجموع ولتاژ لایههاست. این ساختار ساده به نظر میرسد اما نیاز به هماهنگی دقیق شکافهای انرژی و جریان خروجی دارد.
ساختار لایهای سلولهای خورشیدی تندم
سلولهای خورشیدی تندم معمولاً از دو تا چهار لایه تشکیل میشوند. لایه بالایی از موادی با شکاف انرژی بالا مانند پروسکایت یا گالیوم ایندیوم فسفید ساخته میشود. این لایه فوتونهای آبی و فرابنفش را جذب میکند. لایه زیرین از سیلیکون کریستالی یا گالیوم آرسناید تشکیل میشود که نور قرمز و فروسرخ را تبدیل به برق میکند. بین لایهها اتصال تونلی قرار میگیرد تا الکترونها بدون مقاومت زیاد جابهجا شوند.
اتصال تونلی از مواد دوپشده سنگین ساخته میشود و ضخامت آن تنها چند نانومتر است. این لایه شفاف الکتریکی عمل میکند و جریان را از لایه بالا به پایین منتقل میکند. بدون اتصال تونلی مناسب، اختلاف جریان بین لایهها باعث افت شدید بازدهی میشود. پژوهشگران با تنظیم دقیق دوپینگ، مقاومت این لایه را به حداقل رساندهاند.
پوشش ضدبازتاب روی سطح سلول قرار میگیرد تا پرتوهای نور به جای بازتاب، وارد ساختار شوند. این پوشش معمولاً از چند لایه نازک اکسید تشکیل شده و برای طول موجهای مختلف بهینهسازی میشود. در سلولهای تندم، پوشش باید برای تمام طول موجهای جذبشده توسط لایهها کار کند.
مواد کلیدی در ساخت سلولهای تندم
پروسکایتها به دلیل هزینه پایین و فرآیند ساخت ساده، محبوبترین ماده برای لایه بالایی هستند. این مواد کریستالی با فرمول شیمیایی خاص، شکاف انرژی قابل تنظیم از ۱.۵ تا ۲.۳ الکترونولت دارند. با تغییر ترکیب شیمیایی، میتوان رنگ جذب را دقیق کنترل کرد. پروسکایتها با روشهای چاپی یا تبخیر ساخته میشوند و ضخامت آنها تنها چند صد نانومتر است.
سیلیکون کریستالی همچنان ستون فقرات لایه زیرین است. این ماده پایدار، ارزان و در دسترس است. سلولهای سیلیکونی تککریستالی بازدهی حدود بیست و شش درصد دارند اما وقتی با پروسکایت ترکیب میشوند، بازدهی کل به بیش از سی و سه درصد میرسد. سطح سیلیکون با بافتدهی نانویی آماده میشود تا نور بیشتری جذب کند.
مواد گروه III-V مانند گالیوم آرسناید برای کاربردهای فضایی استفاده میشوند. این مواد شکاف انرژی دقیق و مقاومت بالا در برابر تشعشع دارند. سلولهای سهپیوندی III-V بازدهی نزدیک به چهل درصد در شرایط تمرکز نور نشان میدهند. تولید آنها با روش رشد اپیتاکسیال انجام میشود که گران است.
روشهای اتصال لایهها
در پیکربندی دو پایانه، لایهها مستقیماً روی هم رشد میکنند و جریان خروجی باید در هر لایه برابر باشد. این روش ساده است اما نیاز به تطبیق دقیق جریان دارد. اگر جریان لایه بالا بیشتر باشد، لایه پایین محدودکننده میشود و برعکس. پژوهشگران با تنظیم ضخامت لایهها این مشکل را حل میکنند.
پیکربندی چهار پایانه اجازه میدهد هر لایه جریان مستقل داشته باشد. این روش انعطافپذیرتر است اما نیاز به مدارهای پیچیده دارد. در کاربردهای زمینی، چهار پایانه کمتر استفاده میشود اما در پژوهشها برای رسیدن به رکوردهای بازدهی رایج است.
اتصال مکانیکی روش جدیدی است که لایهها جداگانه ساخته و سپس به هم چسبانده میشوند. این روش اجازه میدهد بهترین سلول سیلیکونی تجاری با بهترین لایه پروسکایت ترکیب شود. چسب شفاف نوری بین لایهها قرار میگیرد و تلفات کم است.
بازدهی واقعی در آزمایشگاه و صنعت
آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا (NREL) رکورد بازدهی ۳۳.۹ درصد را برای سلول تندم پروسکایت-سیلیکون ثبت کرده است. این سلول در شرایط استاندارد نور خورشید آزمایش شده و پایداری بیش از هزار ساعت را نشان داده است.
شرکت آکسفورد پیوی سلول تندم تمام پروسکایت با بازدهی ۲۹.۵ درصد تولید کرده که روی شیشه انعطافپذیر قرار دارد. این سلول با روش رول به رول ساخته شده و هزینه تولید آن نزدیک به سلولهای سیلیکونی است..
سلولهای سهپیوندی III-V در شرایط تمرکز نور (۵۰۰ برابر) به بازدهی ۴۷.۱ درصد رسیدهاند. این سلولها در نیروگاههای خورشیدی متمرکز استفاده میشوند که نور را با آینه روی سلول متمرکز میکنند.
اصول کار سلول خورشیدی تندم
عملکرد سلول خورشیدی تندم بر پایه تقسیم طیف نور خورشید بین لایههای مختلف است. لایه بالایی که معمولاً از مواد با شکاف انرژی وسیعتر ساخته شده، فوتونهای پر انرژی را جذب میکند و اجازه میدهد فوتونهای کمانرژیتر به لایه زیرین نفوذ کنند. این فرآیند باعث میشود تلفات ناشی از گرمای اضافی که در سلولهای تکلایه رخ میدهد، به حداقل برسد و بازدهی کلی افزایش یابد. در سلولهای سری، جریان الکتریکی در تمام لایهها یکسان است، در حالی که ولتاژ جمع میشود.
در سلولهای خورشیدی تندم، اتصال تونلی بین لایهها نقش کلیدی دارد و اجازه میدهد الکترونها بدون مقاومت زیاد بین لایهها حرکت کنند. این اتصال از مواد با دوپینگ بالا ساخته میشود تا جریان الکتریکی حفظ شود. علاوه بر این، پوششهای ضدبازتاب نور روی سطح سلول قرار میگیرد تا جذب حداکثری نور تضمین شود. اصول عملکرد این سلولها بر پایه فیزیک نیمهرساناها استوار است و از پدیدههایی مانند اثر فوتوولتاییک بهره میبرد.
سلولهای خورشیدی تندم میتوانند در پیکربندیهای دو پایانه یا چهار پایانه ساخته شوند. در پیکربندی دو پایانه، لایهها به صورت یکپارچه روی هم رشد میکنند و جریان باید بین لایهها همخوانی داشته باشد. این روش سادهتر است اما نیاز به تنظیم دقیق شکاف انرژی دارد. در مقابل، پیکربندی چهار پایانه اجازه استخراج مستقل برق از هر لایه را میدهد و انعطافپذیری بیشتری فراهم میکند.
انواع سلولهای خورشیدی تندم
یکی از رایجترین انواع، سلولهای تندم ارگانیک است که از پلیمرها ساخته میشود و ویژگیهایی مانند تولید ارزان و نیمهشفافیت دارد. این سلولها بازدهی کمتری دارند اما برای کاربردهای انعطافپذیر مناسب هستند. نوع دیگری از سلولهای خورشیدی تندم، سلولهای غیرارگانیک است که از مواد گروه III-V مانند گالیوم ایندیوم فسفید و گالیوم آرسناید استفاده میکند. این سلولها بازدهی بالایی دارند و در محیطهای سخت مانند فضا کاربرد دارند، اما تولید آنها پیچیده و گران است.
سلولهای خورشیدی تندم هیبریدی ترکیب مواد ارگانیک و غیرارگانیک هستند و اغلب از پروسکایت برای لایه بالایی بهره میبرند. این نوع سلولها هزینه کمتری دارند و قابلیت چاپ رول به رول را ارائه میدهند، هرچند پایداری آنها نیاز به بهبود دارد. سلولهای خورشیدی تندم با پایه سیلیکون، پروسکایت یا مواد دیگر را روی سیلیکون کریستالی قرار میدهند و بازدهی رکوردشکنی مانند بیش از سی و سه درصد به دست میآورند. این انواع برای تولید صنعتی مناسب هستند.
در سلول خورشیدی تندم چندپیوندی، بیش از دو لایه استفاده میشود، مانند سهپیوندی با مواد گالیوم ایندیوم فسفید، گالیوم آرسناید و ژرمانیوم. این سلولها بازدهی بالاتری دارند اما پیچیدگی بیشتری در ساخت نشان میدهند.
کاربردهای گسترده
سلول خورشیدی تندم در پنلهای خورشیدی زمینی کاربرد گسترده دارد و میتواند در مزارع خورشیدی برای تولید برق استفاده شود. این سلولها با بازدهی بالا، نیاز به فضای کمتر دارند. در وسایل نقلیه الکتریکی، سلولهای خورشیدی تندم میتوانند برای شارژ مداوم باتری استفاده شوند و برد خودرو را افزایش دهند. انواع انعطافپذیر برای سطوح منحنی مناسب هستند. سلولهای خورشیدی تندم در کاربردهای فضایی مانند ماهوارهها نقش دارند، جایی که وزن کم و مقاومت بالا اهمیت دارد. این فناوری در مأموریتهای ناسا استفاده شده است.
در ژاپن، پنلهای تندم پروسکایت-سیلیکون روی پشتبام خانهها نصب شدهاند. هر پنل ۲ متری بیش از ۶۰۰ وات تولید میکند. فضای مورد نیاز برای تولید یک کیلووات برق نصف پنلهای معمولی است.
