آینده انرژی های تجدیدپذیر: مبدل های طیفی شفاف کارایی سلول های خورشیدی را افزایش می دهند

موضوعات: انرژی، سلول های خورشیدی پروسکایت، فوتونیک، سلول های خورشیدی، انرژی خورشیدی.

در پیشرفت فناوری فتوولتائیک، یک لایه شیشه-سرامیک جدید GdPO4، تبدیل نور به الکتریسیته را با استفاده موثرتر از نور UV بهبود می بخشد. این نوآوری هم کارایی و هم دوام سلول های خورشیدی را افزایش می دهد و پتانسیل قابل توجهی را برای راه‌حل های انرژی های تجدید پذیر آینده ارائه می دهد. 

به گزارش آرا نیرو، این ماده محافظ فوتون های مضر فرابنفش را به نور مرئی تبدیل می کند و راندمان تبدیل دستگاه های فتوولتائیک را افزایش می دهد.

در دهه گذشته، سلول های فتوولتائیک به عنوان منابع امیدوارکننده انرژی تجدیدپذیر توجه زیادی را در سراسر جهان به خود جلب کرده اند.  با این حال، هنوز به راندمان تبدیل به اندازه کافی بالا دست نیافته‌اند تا مورد پذیرش گسترده قرار گیرند، و دانشمندان به دنبال مواد و طرح‌های جدید با عملکرد بهتر هستند.

محدودیت های فن آوری های فتوولتائیک فعلی

دو نوع از سل های رایج که به طور فعال مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، ویفرهای پروسکایتی (Perovskite) و ویفرهای آمورف-سیلیکون کاربید (a-SiC:H) هستند که هر کدام محدودیت‌های خاص خود را دارند.  رایانه‌های شخصی پروسکایت از دو مشکل عمده رنج می‌برند: اول، اگرچه تابش خورشیدی طول موج‌هایی را از مادون قرمز نزدیک تا نور فرابنفش (UV) پوشش می‌دهد، ولی ویفرهای پروسکایت تنها از بخش کوچکی از این طیف استفاده می‌کنند که منجر به راندمان تبدیل انرژی پایین می‌شود. ثانیاً، آنها در برابر تخریب نور ناشی از قرار گرفتن در معرض نور UV با شدت بالا آسیب پذیر هستند. در مقابل، ویفرهای a-SiC:H به دلیل عدم تطابق بین مشخصات طیفی نور خورشید و پاسخ طیفی مواد a-SiC:H نمی توانند به طور مؤثر نور UV را برداشت کنند.

لایه مبدل طیفی نوآورانه

اما اگر این مشکلات را بتوان به سادگی با استفاده از یک لایه شفاف خاص در سطح بالایی ویفر حل کرد، چطور؟ در مطالعه اخیر منتشر شده در مجله فوتونیک برای انرژی (Photonics for Energy)، یک تیم تحقیقاتی شامل دکتر پی سانگ از دانشگاه علوم مهندسی شانگهای چین، یک مبدل طیفی خورشیدی جدید با استفاده از یک ماده شیشه-سرامیک (GC) GdPO4 که با پرازئودیمیم (Pr) و یون‌های یوروپیوم (Eu) دوپ شده بود، توسعه دادند. این فناوری می‌تواند منجر به افزایش قابل توجه عملکرد و کاربرد در سلول های خورشیدی شود.

استفاده از یک لایه شیشه سرامیک شفاف   Pr3+/Eu3+- دوپ شده در بالای سلول فتوولتائیک به طور همزمان آن را از آسیب رساندن به اشعه ماوراء بنفش محافظت می کند و آن اشعه ماوراء بنفش را به نور مرئی تبدیل می کند و در نتیجه راندمان تبدیل نور به انرژی را افزایش می دهد.

مکانیسم و ​​مزایای لایه مبدل جدید

هدف اصلی GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+ جذب فوتون‌های UV از تابش خورشید و انتشار مجدد آنها به عنوان نور مرئی است. این به لطف انتقال انرژی کارآمدی که بین یون‌های موجود در ماده اتفاق می‌افتد امکان‌پذیر است. وقتی یک فوتون UV به یون Pr3+ برخورد می کند، حالت الکترونیکی برانگیخته ایجاد می کند. این انرژی انباشته شده شانس بالایی برای انتقال به یون Gd3+ دارد، که قبل از انتقال به یون Eu3+، مقداری از آن را آزاد می‌کند. در نتیجه، حالت‌های الکترونیکی برانگیخته در یون +Eu3 تحت یک انتقال پایین به حالت‌های انرژی پایین‌تر قرار می‌گیرند و نور مرئی ساطع می‌کنند.

چندین آزمایش تأیید کردند که یون‌های Gd3+ به‌عنوان پل بین یون‌های Pr3+ و Eu3+ در این انتقال انرژی عمل می‌کنند.  بنابراین، یک لایه نازک شفاف GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+ که روی ویفرها اعمال می‌شود، نه تنها از آن در برابر فوتون‌های UV محافظت می‌کند، بلکه نور اضافی نیز به آن می‌دهد. علاوه بر این، این اثر محافظتی به جلوگیری از تخریب ویفر در سل های پروسکایت کمک می کند. در همین حال، در هر دو ویفر پروسکایت و a-SiC:H، لایه تبدیل طیفی به کل سیستم کمک می کند تا از انرژی حاصل از تابش خورشیدی به طور مؤثرتری استفاده کند.

کاربردهای بالقوه و تحقیقات آینده

از آنجایی که این ماده به طور قابل ملاحظه ای پایدار است، به نظر می رسد به عنوان یک لایه محافظ برای ویفرهای خورشیدی فضایی، مانند آنهایی که در ایستگاه های فضایی استفاده می شوند، امیدوارکننده باشد. امروزه، ایستگاه‌های فضایی در حال گسترش، نیاز به پشتیبانی انرژی بیشتری دارند و به سلول های خورشیدی با کارایی بالا نیاز دارند.

سانگ توضیح می‌دهد که با پوشاندن قسمت بالایی یک سل خورشیدی با مواد تبدیل طیفی پیشنهادی و استفاده از فناوری محصورسازی و عایق بندی مناسب، می‌توانیم از سطح رطوبت بسیار پایین و بازیابی حداکثری UV اطمینان حاصل کنیم.  علاوه بر این، مواد GC بافت سختی دارند، بنابراین می‌توانند از ویفرها در برابر ضربه‌های زباله‌های شناور کوچک در فضا محافظت کنند.

مطالعات بیشتری برای بهبود بیشتر کاراییویفرهای خورشیدی با استفاده از مواد GC دوپ شده به عنوان مبدل های طیفی مورد نیاز است. محققان خاطرنشان می کنند که کار آینده می تواند بر بهبود مقرون به صرفه بودن با تنظیم غلظت دوپینگ و بهینه سازی ضخامت لایه محافظ تمرکز کند.

بیایید امیدوار باشیم که انرژی خورشیدی نه تنها به جایگزینی سازگار با محیط زیست برای سوخت های فسیلی، بلکه به منبع انرژی آینده تبدیل شود!

مرجع: «مبدل طیفی خورشیدی مبتنی بر طول موج فرابنفش برای کاربرد سلول های فتوولتائیک» توسط Pei Song، Chaomin Zhang و Pengfei Zhu، 23 دسامبر 2023، مجله فوتونیک برای انرژی.

منبع:

By SPIE–INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICS AND PHOTONICS 

JANUARY 5, 2024