پنل‌های خورشیدی گرافنی:

پنل خورشیدی چیست؟

سیستم الکتریکی پنل های خورشیدی که به عنوان فتوولتائیک خورشیدی (PV) شناخته شده است، انرژی خورشید ( فوتون‌ها) را  گرفته و آن را به الکتریسیته تبدیل می کند . سلولهای PV از لایه های مواد نیمه رسانا ساخته شده و زمانی که در معرض نور خورشید قرار می گیرد در سراسر لایه ها، میدان الکتریکی تولید می کند . زمانی که نور به سلول ها می رسد، برخی از آنها به داخل مواد نیمه رسانا جذب می شود . این موضوع باعث شکسته شدن الکترونها و سست شدن آنها می گردد و جریان ایجاد می شود . این جریان الکترونها یک جریان الکتریکی است که می تواند به عنوان منبع قدرت برای دستگاههای بیرونی مورد استفاده قرار گیرد . این جریان به همراه ولتاژ سلولها( که نتیجه ی میدان الکتریکی درون ساخت است) ، قدرتی ایجاد می کنند که سلولهای خورشیدی  تولید میکند .  یک سلول PV می تواند الکتریسیته را بدون تابش مستقیم نور خورشید نیز تولید کند اما هر چقدر نور خورشید بیشتر باشد ، الکتریسیته ی تولیدی نیز بیشتر خواهد شد .یک ماژول و یا یک پنل، گروهی از سلولها هستند که به صورت الکتریکی به هم متصل شده و با همدیگر بسته بندی شده اند . پنلهای متعدد می توانند با هم یک آرایه تشکیل دهند که  در این حالت الکتریسیته ی بیشتری تولید شده و برای قدرت بخشیدن به دستگاهها و ابزارهای بزرگتر می توان از آنها استفاده کرد.

انواع مختلفی از سلول‌های خورشیدی:

سلولهای خورشیدی معمولا به سه گروه تقسیم می شوند . این سه گروه عبارت است از : تک کریستالی، پلی کریستالی(چند کریستالی) و فیلم نازک. بیشتر PV های جهان بر اساس انواع مختلفی از سیلیکون ساخته می شوند . خلوص سیلیکون ، بر روی تبدیل انرژی خورشیدی تاثیر خواهد داشت .سلولهای خورشیدی تک کریستالی طی فرآیند برش شمش های استوانه ای برای ساخت ویفرهای سیلیکونی تولید می شوند . این سلولهای بیشتر از سایر سلولهای خورشیدی عمر می کنند . همچنین این سلولها بسیار گران تر از سایر سلولهای خورشیدی هستند و توسط باد و باران و عوامل محیطی دیگر زودتر آسیب می بینند.سلولهای خورشیدی پلی کریستالی(چند کریستالی) از طریق فرآیند ذکر شده در بالا تولید نمی شوند . این سلولها ساده تر بوده و قیمت کمتری دارند . کارآیی آنها بین 13 الی 16 درصد است . همچنین این سلولها بزرگتر هستند و فضای بیشتری نیز اشغال می‌کنند.سلولهای خورشیدی فیلم نازک (TFSC ) توسط رسوب یک یا چند لایه ی نازک از مواد فوتو ولتائیک بر روی بستر ساخته می شود.  انواع مختلفی از TFSC ها بر اساس نوع ماده ی فوتو ولتائیکی که بر روی بستر رسوب می یابد طبقه بندی می شود . این مواد  عبارت است از: سیلیکون بی شکل (a-si ) ، کادمیوم تلورید(CdTe) ،مس ایندیم گالیوم سلنید(CIS/CIGS) پنلهای خورشیدی پلیمری و سلولهای فوتو ولتائیک آلی(OPC ).ماژول های فیلم نازک کارآیی 7 الی 13 درصدی دارند . تولید حجم انبوهی از آنها بسیار ساده بوده و می توان آنها را ارزانتر و بسیار انعطاف پذیر تر از سلولهای خورشیدی مبتنی بر کریستال تولید کرد . با اینحال این سلولها فضای بیشتری اشغال می کنند و زودتر از سلولهای کریستالی خراب می شوند.

مزایا و معایب سلولهای خورشیدی :

قدرت خورشید رایگان و نامحدود است و استفاده از انرژی خورشیدی می تواند مزایای زیادی داشته باشد . این یک روش پایدار و دوستدار محیط زیست است .همچنین سیستم انرژی خورشیدی امروزه ارزانتر از سایر انرژی ها بوده و می تواند هزینه ی تولید الکتریسیته را کاهش دهد .علاوه بر این ، این سلولها برای محیط زیست پاکتر بوده و باعث کاهش تولید آلودگی می شود . این سلولها همانند سوخت‌های زغال سنگ و انرژی هسته ای آب را هدر نمی دهند . اگرچه تولید انرژی خورشیدی دارای مزایای بسیاری است اما معایبی نیز وجود دارد . هزینه ی اولیه ی خرید و نصب پنل های خورشیدی بسیار قابل توجه است . محل تابش خورشید نیز مسئله ی دیگری است . به عنوان مثال در محیط های ابری و مه آلود که برای مدت های طولانی نور خورشید نمی تابد ، الکتریسیته ی بسیار اندکی تولید خواهد شد .

کاربردهای انرژی خورشیدی:

کاربردهای رایج انرژی خورشیدی شامل موارد مختلفی همچون گرمایش، سیستم های تهویه و روشنایی است . برخی از ابزارهای کوچک مانند ماشین حساب،ترازوها ، اسباب بازیها از این انرژی برای به کار انداختن خود استفاده می کنند . کشاورزی و باغداری نیز از  انرژی خورشیدی برای به کار انداختن وسایلی همچون پمپ های آب و ماشین های برداشت محصول استفاده می کند . در زمینه ی حمل و نقل نیز می توان از انرژی خورشیدی استفاده کرد به عنوان مثال ساخت وسایل حمل و نقلی که بتواند با این انرژی کار کند سالهاست که مورد توجه افراد قرار گرفته است .

گرافن و پنل‌های خورشیدی:

گرافن تک لایه ای از اتم های کربن است که به یکدیگر متصل شده و در یک الگوی شش گوشه ای تکرار می شود .این یک ماده ی 2 بعدی با ویژگیها و خواص جالب است.گرافن بسیار مستحکم بوده و بسیار شفاف است و می تواند رسانا و انعطاف پذیر باشد . همانطور که گفتیم گرافن از کربن ساخته شده است که آن نیز  بسیار فراوان بوده و  جزو مواد ارزان قیمت است . به نظر می رسد گرافن پتانسیل نامحدودی برای بهبود خواص مواد موجود داشته باشد .سلولهای خورشیدی به موادی نیاز دارند که رسانا بوده و بتواند نور را از خود عبور دهد .بنابراین می توان از ویژگی عالی رسانش و شفاف بودن گرافن در این زمینه استفاده کرد . گرافن یک رسانای عالی است اما به خوبی نمی تواند جریان الکتریکی تولید شده در درون سلول خورشیدی را جمع آوری کند . بنابراین،محققان به دنبال روشی برای اصلاح گرافن افتادند . گرافن اکسید (GO) رسانش کمتری دارد اما بسیار شفاف بوده و می تواند جریان بیشتری را جمع آوری کند . ایندیم قلع اکسید (ITO) رسانا ،با یک لایه ی شیشه ای نا رسانا به عنوان الکترود شفاف در بیشتر سلولهای خورشیدی مورد استفاده قرار میگیرد.اما ITO بسیار نادر است و تولید سلولهای خورشیدی از آن بسیار گران قیمت و پر هزینه خواهد بود. بیشتر تحقیقات بر روس استفاده از گرافن به عنوان جایگزین ITO تمرکز کرده اند .

تحقیقات انجام شده در حوزه ی سلولهای خورشیدی گرافنی:

در ژوئن 2013، محققان  دانشگاه MIT ،هدف خود برای گسترش و توسعه ی سلولهای خورشیدی جدید  ایجاد شده توسط گرافن و  دی سولفید مولیبدن، که نازک، سبک و کارآمد است را اعلام کردند . در آگوست سال 2014 ، محققان  همان دانشگاه یک الکترود شفاف و انعطاف پذیر مبتنی بر گرافن را برای سلولهای خورشیدی پلیمر گرافن توسعه دادند . به گزارش آنها ، این الکترود بسیار کارآمدتر از سایر الکترودهاست . در دسامبر سال 2013 ،محققان سنگاپوری  دریافتند که  زمانی که چهار ورقه ی گرافنی روی هم انباشته شود می تواند از سلولهای خورشیدی ITO  عملکرد بهتری داشته باشد . در مارس سال 2014 نیز محققان دانشگاه سینسیناتی کشف کردند که اضافه کردن حتی مقدار کمی از دانه های گرافن به یک سلول خورشیدی پلیمری می تواند عملکرد سلول را تا سه برابر نوع متعارف  غیر گرافنی بهبود بخشد. شرکت 2-DTech انگلیسی نیز که سازنده ی مواد دو بعدی است اعلام کرده است که به کمک شرکت تولید سلولهای خورشدید استرالیایی ،  سلولهای فوتو ولتائیک حساس به رنگ حالت جامد بهبود یافته با گرافن را توسعه داده اند . چنین سلولهایی بسیار ازران قیمت هستند و مزایای زیادی دارند . در آوریل سال 2015 محققات دانشگاه Guangzhou در چین موفق به بهبود ظرفیت خازنی ابر خازن نزدیک به 1000 برابر در مقایسه با روکش و یا چروکیده ابر خازن مبتنی بر  فیلم گرافن CVD شدند . برای اینکار، محققان شفافیت را با مستقل بودن و انعطاف پذیر بودن کاغذهای گرافنی ترکیب و ادغام کردند .این ابر خازنها حتی 10 برابر بیشتر  از سایر ابر خازنهای ساخته شده با کربن خالص ظرفیت داشته و بهتر است.

منبع : graphene-info.com