…استفاده از فن‌آوری نانو جهت تهیه مصالح مناسب و با ویژگی‌های مورد نظر در بخش‌های مختلف ساختمان، در کاهش مصرف انرژی به صورت مستقیم وغیر مستقیم نقش به‌سزایی خواهد داشت. به‌عنوان مثال با پیشرفت سلول‌های فتوولتاییک وحضور نسل دوم این دسته از سلول‌ها، تحولاتی در نوع طراحی ونحوه‌ی استفاده از آن‌ها نمایان شد.
در این پژوهش چگونگی بهره‌گیری از نانوتکنولوژی در زمینه انرژی خورشیدی وتاثیر آن بر سلول‌های فتوولتاییک مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است…


منتشر شده در: فصلنامه طراح / شماره ۵، بهار ۱۳۹۱ ، تکنولوژی ، صفحه ۱۱۴

به قلم: مریم ملازاده یزدانی


چکیده
جهان کنونی بر خلاف دنیای دیروز که تمام توجه‌اش به صنایعی چون نفت و انرژی بود، به سمت فن‌آوری اطلاعات، مواد جدید، بیوتکنولوژی، نانوتکنولوژی و الکترونیک گرایش پیدا کرده است. با توجه به این‌که عمر صنایعی چون نفت روزی به پایان می‌رسد سرمایه گذاری در بخش نانوفناوری توجیه قانع کننده‌ای پیدا می‌کند.
استفاده از فن‌آوری نانو جهت تهیه مصالح مناسب و با ویژگی‌های مورد نظر در بخش‌های مختلف ساختمان، در کاهش مصرف انرژی به صورت مستقیم وغیر مستقیم نقش به‌سزایی خواهد داشت. به‌عنوان مثال با پیشرفت سلول‌های فتوولتاییک وحضور نسل دوم این دسته از سلول‌ها، تحولاتی در نوع طراحی ونحوه‌ی استفاده از آن‌ها نمایان شد.
در این پژوهش چگونگی بهره‌گیری از نانوتکنولوژی در زمینه انرژی خورشیدی وتاثیر آن بر سلول‌های فتوولتاییک مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.

Roehm/Evonik,
Foto:Tim Wegner
۲۰.۰۵.۲۰۱۱

از جمله موارد مهم استفاده از سلول‌های فتوولتاییک ارگانیک کاربردهای معماری آن است، از آن‌جا که این سلول‌ها علاوه بر نور خورشید می‌توانند از سایر نورهای مرئی موجود در محیط نیز به منظور القای نوری بهره گرفته، مجددا تولید الکتریسیته نمایند، استفاده از این سلول‌ها در مکان‌هایی که از تجهیزات روشنایی به میزان زیادی بهره گرفته می‌شود، بسیار مناسب خواهد بود. علاوه برآن به علت این‌که در سلول‌های غیر سیلیکونی یا ارگانیک از سیلیکون به میزان اندکی استفاده می‌شود ارزان قیمت‌تر واز نظر اقتصادی به صرفه‌تر خواهند بود.
همچنین به علت سبکی و انعطاف‌پذیر بودن نیز می‌توان ازآن‌ها در سازه‌های پارچه‌ای و بتنی و پوسته‌های مواج نیز استفاده کرد. این قابلیت ارزشمند به معماران امکان طراحی‌های ویژه‌ای را خواهد داد که خارج از چهارچوب‌های نصب سلول‌های خورشیدی فتوولتاییک نسل اول خواهد بود.


از دیگر مزایای سلول‌های فتوولتاییک ارگانیک، شفافیت وانتقال نور است. این ویژگی به ما این امکان را می‌دهد تا از آن‌ها بر روی شیشه‌های نما ومکان‌هایی که نیاز به عبور نور است استفاده کنیم؛ بدین صورت هم از نور وروشنایی خورشید و هم از انرژی خورشیدی بهره‌مند می‌شویم.
کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی، معماری پایدار، انرژی خورشیدی، سلول‌های فتوولتاییک ارگانیک، نقاط کوانتومی.

مقدمه
امروزه از فناوری‌های مختلف به منظور ایجاد آسایش و امنیت بیشتر و صرفه‌جویی در هزینه‌ها به‌خصوص در مصرف منابع انرژی بهره می‌برند. در زمینه انرژی، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرژی را پایین بیاورد. امکان تهیه مصالح ساختمانی مناسب به منظور کنترل انرژی در ساختمان یکی از زمینه‌هایی است که توسط نانوفناوری امکان پذیر شده است. همچنین نانوتکنولوژی نوید بخش پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه تبدیل و ذخیره انرژی خورشیدی، با استفاده از پیل‌های آفتابی ارزان‌تر، سبک‌تر و قابل انعطاف است.
علاوه بر آن نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرژی را پایین بیاورد. محققان عقیده دارند: مقدار انرژی که در یک ساعت از خورشید به زمین می‌رسد بیش از کل انرژی است که بشر در طی یک سال مصرف می‌کند بنابراین فناوری نانو برای یافتن یک جایگزین برای سوخت‌های فسیلی که سازگار با محیط زیست باشد، روش‌هایی عملی پیش‌رو می‌گذارد تا سلول‌های خورشیدی پیشرفته‌تری داشته باشیم که هرکدام به نوبه‌ی خود تاثیری در طراحی معماری خواهد گذاشت. در ادامه به بررسی وتحلیل فناوری سه نسل اول، دوم وسوم می‌پردازیم.
تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریسیته :
در دسته‌بندی مواد هوشمند به طور معمول دو دسته از مواد هستند که توانایی تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی الکتریکی را دارند: مواد ترمو الکتریک، که حرارت ناشی از تابش نور خورشید را به جریان الکتریسیته تبدیل می‌کنند و مواد فتوولتایک۱، که تشعشعات نورانی ناشی از تابش خورشید را به جریان الکتریسیته تبدیل می‌کنند.
تبدیل نور خورشید به الکتریسیته ازطریق یک سلول فتوولتاتیک می‌باشد، که به‌طور معمول یک سلول خورشیدی نامیده می‌شود. سلول خورشیدی یک ابزار غیر مکانیکی است که معمولاً از آلیاژ سیلیکون ساخته شده است. وقتی فتون‌ها۲ به یک سلول فتوولتاتیک برخورد می‌کنند، ممکن است منعکس شوند، مستقیم از میان آن عبور کنند، یا جذب شوند. فقط فتون‌های جذب شده، انرژی را برای تولید الکتریسیته فراهم می‌کنند.
یکی از مشکلات سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، ضریب انکسار بالای سیلیکون است که باعث می‌شود بیش از ۳۰ درصد نور تابشی از سطح کریستال‌های سیلیکون منعکس شود. برای رفع این مشکل تولید کننده‌های سلول خورشیدی انواع مختلفی از پوشش‌های ضد انعکاس۳ را برای کاهش خسارت‌های بازتاب ناخواسته ایجاد کرده‌اند.
سیستم‌های فتوولتاییک که در حال حاضر به‌صورت صنعتی تولید می‌شوند، از نظر فناوری به دو دسته کلی سیلیکون کریستالی به عنوان فناوری نسل اول و فیلم نازک به عنوان فناوری نسل دوم دسته‌بندی می‌گردند.
فناوری نسل اول بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت ۴۰۰-۳۰۰ میکرومتر است که ساختاری بلوری یا چند بلوری دارند و به انواع مونوکریستالی، پلی‌کریستالی و کریستال نواری تقسیم می‌گردند.
فناوری نسل دوم یا تکنولوژی فیلم نازک، براساس لایه نشانی نیمه هادی روی بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری است. در این زمینه می‌توان به مس، ایندیم، گالیم، سلنید۴، تلورید کادمیوم۵ و سیلیکون آمورف۶ اشاره کرد.
هزینه مواد اولیه در تکنولوژی نسل دوم، پایین‌تر و از آن گذشته، اندازه سلول تا ۱۰۰ برابر بزرگتر از اندازه سلول ساخته شده با تکنولوژی نسل اول است که مزیتی برای تولید انبوه آن محسوب می‌شود. در عوض بازدهی سلول‌های نسل اول، که اغلب سلول‌های بازار را تشکیل می‌دهند، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی سلول‌های نسل دوم بیشتر است. انتظار می‌رود اختلاف بازدهی میان سلول‌های دو نسل با گذشت زمان کمتر شده و تکنولوژی نسل دوم جایگزین نسل اول شود.
بنابراین دستیابی به سلول‌هایی با بازدهی‌هایی دو تا سه برابر بازدهی‌های کنونی، امکان پذیر است. سلول‌های خورشیدی که دارای چنین بازدهی‌هایی باشند، نسل سوم سلول‌های خورشیدی نامیده می‌شوند. سلول‌های متوالی، سلول‌های خورشیدی چاه کوانتومی، سلول‌های خورشیدی نقطه کوانتومی، سلول‌های حامل داغ، نسل سوم سلول‌های خورشیدی را تشکیل می‌دهند.

فناوری نسل اول سلول‌های فتوولتاییک:
I. سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کریستالی:
رایج‌ترین ماده توده برای سلول خورشیدی، سیلیکون کریستالی۷ است. ماده توده سیلیکون با توجه به نوع کریستال و اندازه کریستال به چندین بخش تقسیم می‌شود.
• سیلیکون تک کریستالی۸
• سیلیکون پلی کریستالی۹ یا چند کریستالی۱۰

 

فناوری نسل دوم سلول‌های فتوولتاییک:
II. سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون فیلم نازک غیر کریستالی (آمورف یا ارگانیک):
هزینه پایین یکی از مزایای سلول‌های خورشیدی برپایه سیلیکون آمورف می‌باشد. دو جزء اصلی آلیاژ سیلیکون آمورف، سیلیکون و هیدروژن است. علاوه براین، مشخصه یک آلیاژ سیلیکون آمورف داشتن ضریب جذب بالاست. تنها یک لایه نازک برای جذب نور نیاز است و این باعث کاهش هزینه مواد می‌شود.
در جدول صفحه بعد سه نوع اصلی از فناوری‌های کلیدی و مهم فیلم نازک که به‌صورت تجاری وجود دارند مورد بررسی قرارگرفته است.
شرکت‌‌های مختلفی که در زمینه نانوفناوری فعالیت می‌کنند، برای کاهش هزینه‌های طراحی و ساخت پیل‌های آفتابی می‌کوشند تا هزینه تولید برق از آفتاب، هم اندازه هزینه الکتریسیته تولید شده در نیروگاه‌‌های سوخت فسیلی کنونی شود، در این پیل‌های آفتابی از نانولوله‌های نیمه رسانا یا نانوسیم‌‌ها و یا نانوذرات تعبیه شده در پلاستیک رسانا استفاده می‌شود. این پیل‌ها دقیقأ مانند پیل‌های آفتابی کنونی عمل می‌کنند، اما هزینه تولید آنها بسیار کمتر است.
برای مثال شرکت نانوسولار۱۴، با استفاده از روش پاشیدن لایه‌ای از سلول‌های آفتابی روی یک صفحه، بسیار شبیه چاپگرهای جوهرافشان، پیل‌هایی ساخته است. این روش نه تنها بسیار ارزان‌تر از روش‌های کنونی تولید پیل‌های آفتابی است، بلکه پیل‌های آفتابی حاصل، به میزان قابل توجهی ظریف‌تر و سبک‌تر از نمونه‌های فعلی خواهند بود.
این سلول‌های نازک خورشیدی (فیلم های نازک) در هر دقیقه ۱۰۰ فوت چاپ می‌شوند. پیش بینی شده که این میزان به ۲۰۰۰ فوت در هردقیقه خواهد رسید. جوهر این دستگاه‌ها از نانو ذرات تشکیل شده است. اگرچه تولید این سلول‌های خورشیدی به صرفه است اما هزینه دستگاه‌های چاپ آن‌ها بسیار بالاست.
شرکت کونارکا۱۵ تکنولوژی نیز، پیل‌های آفتابی طراحی وتولید کرده است،که در آن‌ها از نانو کریستال‌های اکسید تیتانیم، تعبیه شده در پلاستیک استفاده شده است. از این پیل‌های آفتابی می‌توان در لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های همراه استفاده کرد. این شرکت همچنین روشی برای تولید محصولاتی که مانند پیل‌های آفتابی کار می‌کند، ارائه کرده است. این پیل‌های آفتابی که می‌توان آن‌ها را در لباس تعبیه کرد، یک جریان کم شدت از برق تولید می‌کنند که برای شارژ باتری تلفن همراه کافی است. اگر آن‌ها را در چادرهای مسافرتی تعبیه کنیم، می‌توانند منبع مناسبی برای تأمین روشنایی این چادرها باشند. همچنین به علت سبکی و انعطاف‌پذیر بودن نیز می‌توان ازآن‌ها در سازه‌های پارچه‌ای وبتنی وپوسته‌های مواج نیز استفاده کرد. این قابلیت ارزشمند به معماران امکان طراحی‌های ویژه‌ای را خواهد داد که خارج از چهارچوب‌های نصب سلول‌های خورشیدی فتوولتاییک نسل اول خواهد بود.
شرکت نانوسیس۱۶‌راه‌حل دیگری ارائه داده است، و آن نصب پیل‌های آفتابی بر روی شیشه پنجره‌ها است. پیل‌های آفتابی که به این منظور تولید می‌شوند، احتمالأ شفاف خواهند بود. با نصب چنین پیل‌هایی بر روی شیشه‌های آسمان خراش‌ها، می‌توان انرژی مورد نیاز تمام قسمت‌های ساختمان را تأمین کرد(شریفی ودیگران،۱۳۸۸،صص۲۹۶-۳۱۸).

 

III. متمرکز کننده‌های خورشیدی 
این فن‌آوری‌های فتوولتائیک که بر اساس عناصر شیمیایی گروه‌های سه و پنج جدول تناوبی ایجاد شده‌ است، بازده تبدیل انرژی بسیار بالایی را چه در نور عادی و چه در نور متمرکز شده، از خود نشان می‌دهند. سلول‌های تک کریستالی این دسته معمولاٌ از آرسنید گالیم ساخته می‌شود. آرسنید گالیم می‌تواند همراه با عناصری مانند ایندیم، فسفر و آلومینیوم، تشکیل آلیاژهای نیمه رسانایی بدهد که با مقادیر مختلف انرژی نور خورشید کار می‌کنند.
در این روش، سلول‌های خورشیدی تکی بر روی همدیگر قرار می‌گیرند تا میزان دریافت و تیدیل انرژی خورشیدی بیشینه شود. لایه بالایی بیشترین مقدار انرژی را از نور دریافت کرده و مابقی را عبور می‌دهد تا جذب لایه‌های بعدی بشوند. بیشتر فعالیت‌های این زمینه از آرسنید گالیم و آلیاژهای آن استفاده می‌کند. همچنین از سیلیکون آمورف، سی آی اس و فسفید ایندیم گالیم نیز بهره گرفته می‌شود. با وجود آنکه سلول‌های متشکل، از دو بخش ساخته شده است، اما بیشترین توجه به سلول‌های با سه اتصال و چهار اتصال است. در این انواع، موادی چون ژرمانیم که کمترین میزان انرژی نور را نیز دریافت می‌کند، در پایین‌ترین لایه استفاده می‌شود. این سلول‌ها به علت به‌کار بردن دو یا بیش از دو سلول متفاوت، سلول‌های چند پیوندگاهی نامیده می‌شوند.

IV. سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
سلول‌های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی(ارگانیک) در مقایسه با همتایان سیلیکونی خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت‌هایی مانند انعطاف‌پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. انواعی از سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ، سلول‌های خورشیدی پلیمری و سلول‌های خورشیدی مبتنی بر کریستال‌های مایع هستند.
سلول‌های خورشیدی پلیمری به دودسته کامپوزیت‌های آلی – آلی و کامپوزیت‌های آلی – غیر آلی تقسیم‌بندی می‌شوند .
در دسته اول پلیمر به‌عنوان انتقال‌دهنده بار مثبت عمل می‌کند و یک مشتق از فولرین که الکترون‌ها را جابه‌جا می‌کند.
دسته دوم در بردارنده یک پلیمر جاذب نور هستند که نقش انتقال دهنده بار مثبت را انجام می‌دهد.
اساس تبدیل نور به انرژی در این سلول‌ها را القای الکتریکی تشکیل می‌دهد. ابتدا یک فوتون بر سلول فرود می‌آید وسبب ایجاد القای الکتریکی (الکترون- حفره ) می‌شود. سپس انتقال دهنده‌های بار الکتریکی ایجاد شده و بار را انتقال می‌دهند تا به فصل مشترک دو سطح برخورد کرده واز هم جدا شده وبه مدار الکتریکی خروجی از سلول وارد شوند. این سازو کار در انواع نانو ساختارهای اکسیدی حساس به رنگ، قابل انجام است. این سلول‌ها از مواد پلیمری ساخته شده دارای ۳ بخش الکترون دهنده، الکترون گیرنده و حلال می‌باشند.
ایده سلول‌های فتوولتاییک ارگانیک با نگرش به برطرف ساختن معایب سلول فتوولتاییک سیلیکونی نظیر تحت تاثیر قرار دادن معماری بنا و هزینه بالا، در سال ۲۰۰۶ میلادی در آلمان مطرح شد. این سلول‌ها در مقایسه با نوع سیلیکونی، سبک‌تر، ارزان قیمت‌تر و انعطاف‌پذیرتر بوده، هم‌چنین این سلول‌ها می‌توانند از تمامی نورهای موجود در محل نظیر لامپ‌های روشن در بنا نیز برای تامین مجدد الکتریسیته استفاده نمایند.۱۸

V. سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ
در سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ، از یک ماده آلی رنگی برای جذب نور و انتقال الکترون‌ها به اکسید نانو مقیاس استفاده می‌شود.سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ، سلول‌هایی هستند که به جای مواد نیمه‌رسانایی که در بیشتر سلول‌های خورشیدی برای ایجاد ولتاژ استفاده می‌شود، از یک لایه دی‌اکسید تیتانیوم آغشته به رنگ استفاده می‌کنند.

VI. سلول های خورشیدی پلیمری
سلول‌های خورشیدی پلیمری دارای ویژگی‌های خاصی هستند. چون مواد اکتیو استفاده شده برای ساخت قطعات، قابل حل شدن در حلال‌های آلی بسیاری هستند، بنابراین سلول‌های خورشیدی پلیمری دارای پتانسیل لازم برای انعطاف‌پذیری و قابلیت ساخت در یک فرآیند چاپ پیوسته همانند چاپ روزنامه را می‌باشند.
از آنجا که اساس کار سلول‌های خورشیدی مرکب انتقال الکترون بین دو ماده مختلف در اثر محرکی به نام نور است، به این سیستم ها، سیستم‌های دهنده- گیرنده الکترون نیز اطلاق می‌شود. در این سلول‌ها، به جای اتصالات سیلیکونی از متریال‌های الکترون دهنده و الکترون گیرنده استفاده می‌شود. تابش نورهای مرئی بر سیستم منجر به انتقال الکترون از ماده الکترون دهنده به مولکول‌های فولیرین می‌شود، از این رو زنجیره‌ی پلیمر تحت القای نوری قرار گرفته، تبدیل به یک یون منفی می‌شود که به شدت نا‌پایدار بوده در زنجیره جا‌به‌جا می‌شود و در نهایت به تولید الکتریسیته می‌انجامد. ساده‌ترین شکل پیکره‌بندی موجود، ساندویچ کردن یک فیلم(لایه نازک ) از پلیمرهای الکترون دهنده در یک سطح مسطح، است. در این صورت الکترون‌هایی که از متریال الکترون‌دهنده جدا می‌شوند در فصل اتصال منتشر شده و به متریال الکترون گیرنده می پیوندند.
به مرور زمان عدم صرفه اقتصادی پیکربندی مسطح توسط محققان مورد توجه قرار گرفت، زیرا حامل‌های بار تنها می‌توانستند در طولی برابر با ۳ تا ۱۰ نانومتر، منتشر شوند. از این رو سلول‌های خورشیدی می‌بایست تا همین میزان ضخامت داشته باشند. نازک بودن منجر به جذب نور کمتر توسط سلول می‌گشت. برای حل این مساله سلول‌های جدیدی خلق شد که دارای یک سطح واصل بین دو لایه الکترون گیرنده و الکترون دهنده بود. لایه‌های مختلف این سلول‌ها عبارتند از:
۱. فیلم‌های پلیمری (ارگانیک)
۲. رساناهایی که امکان عبور نور را فراهم می‌آورند.
۳. لایه حامل بار
۴. لایه حساس در برابر نور
۵. لایه حامل بار
۶. الکترود فلزی
لایه حساس در برابر نور؛ ترکیبی از پلیمرها و مولکول‌های فولیرین (مولکول های ۶۰ اتم کربن) است که به فرم توپ فوتبال در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند . هنگامی که الکترون‌های آزاد وارد مرز بین دو ماده می‌شوند، شکافته شده و الکترون‌ها از پلیمر به لایه‌ی زیرین منتقل می‌شوند، در حالی که بارهای مثبت پلاستیک وارد لایه بالایی می‌شوند، در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می‌شود.

VII. سلول‌های خورشیدی مبتنی بر کریستال‌های مایع
در نمونه‌ای از سلول‌های خورشیدی، از کریستال‌های مایع ستونی برای ساخت سلول استفاده می‌شود. گروهی از کریستال‌های مایع می‌توانند به حالت ستونی وجود داشته باشند. حالت ستونی حالتی است که مولکول‌های تشکیل‌دهنده کریستال‌های مایع که می‌توان آن‌ها را به دیسکی تشبیه کرد روی هم قرار گرفته و ستون‌هایی را تشکیل می‌دهند. در ابتدا این گروه از کریستال‌های مایع، کریستال‌های مایع دیسکی نامیده می‌شدند. زیرا هر ستون از روی هم چیده شدن صفحات دیسک مانند مولکول‌ها روی هم درست می‌شود. تحقیقات اخیر نشان داده‌است که بعضی از کریستال‌های مایع ستونی از واحدهای غیر دیسکی ساخته می‌شوند در نتیجه بهتر است به این گروه از مواد کریستال‌های مایع ستونی گفته شود.

فناوری نسل سوم سلول‌های فتوولتاییک
VIII. سلول‌های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی
ساختارهای نقاط کوانتومی برای کاربردهای متفاوتی در فناوری‌های متنوع به‌کار می‌روند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها که اخیراً توجه محققان را به خود جلب کرده کاربرد در سلول‌های خورشیدی نانو ساختار است که موجب کاهش هزینه‌های ساخت این سلول‌ها از یک‌سو و افزایش بازده تبدیل آن‌ها ازسوی دیگر گردیده است. کاربرد نقاط کوانتومی در سلول‌های خورشیدی به دلیل افزایش نیاز بشر به منابع انرژی پاک، با سرعت بسیاری در حال گسترش است. نقاط کوانتومی نانو بلورهای نیمه رسانای صفربعدی هستند. این مواد نسبت به نانوذرات توده‌ای رفتار متفاوتی نشان داده، دارای ویژگی‌های اپتوالکترونیکی جالب و قابل توجهی هستند. فرآیند سنتزی نقاط کوانتومی نقش اساسی در کیفیت آن‌ها داشته و باعث بهبود خواص محصولات می‌گردد. در انقلابی که برای تولید سلول‌های خورشیدی ارزان قیمت با بازده‌ی بالا آغاز شده است، نقاط کوانتومی نقش پیشتازی دارند. برای افزایش بازده سلول‌های خورشیدی حاوی نقاط کوانتومی سه ساختار قابل استفاده است که از انواع نقاط کوانتومی نیمه هادی تشکیل شده‌اند. ظهور تولیدات نانوساختاری مرز جدیدی را در علم مواد به وجود آورده است. به علت اندازه‌ی این ذرات و چگونگی کارآیی این مواد قوانین کوانتومی مورد اهمیت قرار می‌گیرد. هنگامی که اندازه یا ابعاد یک ماده به طور پیوسته از ابعاد بزرگ به ابعاد خیلی کوچک تغییر کند، در وهله‌ی اول ویژگی‌ها تغییر نمی‌کنند سپس تغییرات کوچک شروع شده تا این‌که در نهایت وقتی اندازه به زیر ۱۰۰ نانومتر می‌رسد تغییرات شگرفی در ویژگی‌ها رخ می‌دهد. به این دسته از مواد که اندازه‌ای کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارند نانومواد می‌گویند. اگر در این مواد تنها در یک بعد به مقیاس نانو کاهش یابد در حالی‌که دو بعد دیگر همچنان بزرگ باقی بماند، به ساختاری می‌رسیم که به چاه کوانتومی معروف است. اگر دو بعد به مقیاس نانو کاهش یابد و بعد دیگر همچنان بزرگ باقی بماند، ساختار حاصل سیم کوانتومی است. در انتهای فرآیند کوچک کردن اندازه که هر سه بعد به مقیاس زیر نانومتر می‌رسد، نقطه‌ی کوانتومی حاصل می‌شود و به عبارت دیگر می‌توان نقاط کوانتومی را نانوساختارهای صفربعدی نامید. نقاط کوانتومی می‌توانند به هنگام قرار گرفتن در معرض نور ماورا‌ء بنفش فوق العاده، به ازای هر فوتون، یک تا هفت الکترون، انرژی تولید کنند.
نقا ط کوانتومی دارای اندازه‌ای بین ۲تا ۲۰ نانومتر بوده و دارای خواص و ویژگی‌های جدیدی هستند که ناشی از اندازه‌ی کوچک آن‌ها است. برای تهیه‌ی نقاط کوانتومی روش‌های متنوعی وجود داشته که هر یک اندازه و توزیع خاصی را به ذرات می دهد. در فقدان سوخت‌های فسیلی، یکی از منابع مهم تولید انرژی الکتریکی، تابش خورشید است. مشکل اصلی مولدهای کنونی انرژی خورشیدی، هزینه‌ی بالا و کارآیی کم آن‌ها است. بازدهی سلول‌های خورشیدی به وسیله‌ی طیف جذبی آن‌ها که جزو خواص ذاتی نیمه رسانای توده‌ای است تعیین می‌شود. با طراحی نقاط کوانتومی که بیشترین همپوشانی را در طیف جذبی با طیف نور خورشید داشته باشند، می‌توان بازدهی مولدهای انرژی خورشیدی را تا بیش از ۹۰ درصد افزایش داد. البته این آزمایشات هنوز به تولید ماده‌ای مناسب برای استفاده تجاری منجر نشده است.

دیواررسانه‌ای سبز پیکسلی
دیوار سبز پیکسلی توسط سیمون جاسترا و همکاران معمارش۲۴ طراحی شده و بخشی از مجموعه سرگرمی چیکویی۲۵ نزدیک سایت المپیک چین است که در سال ۲۰۰۸ رونمایی شد. این دیوار ، با ۲۲۹۲ ال.‌ای.‌دی رنگی منحصر به فرد ، بزرگترین صفحه نمایش ال.ای.دی۲۶ رنگی درجهان به مساحت ۲۴۰۰ فوت مربع و دارای سیستم آلی خودکفایی انرژی است. این دیوار پرده‌ای عظیم که یکپارچه از مدول‌های فتوولتاییک آلی پوشیده شده و در طول روز انرژی خود را ذخیره می‌کند تا شب هنگام روشن شود توسط گروه آروپ۲۷ طراحی ومهندسی شده است.


چنانچه در طول روز فضاهای داخلی به نور خورشید نیاز داشته باشند نور از دیوار شیشه‌ای عبور کرده و به داخل نفوذ می‌کند وهنگامی که به جریان برق نیاز باشد نور خورشید در طول روزبه سلول‌های فتوولتاییک آلی که بر روی دیوار شیشه‌ای لمینت شده است تابیده، فرایند ذخیره صورت می‌گیرد تا شب هنگام جهت سیستم روشنایی ورسانه‌ای به کار آید. شفاف ومنعطف بودن سلول‌های فتوولتاییک آلی قابلیت وتوانمندی فناوری نسل دوم سلول‌های خورشیدی است که با استفاده از نانو مواد ساخته شده‌اند. یکی از دستاورد‌های این ساختمان توانایی برقراری ارتباط با محیط شهری از طریق نوع جدیدی از شفافیت دیجیتالی است. پوسته‌‌ای هوشمند که در تعامل میان فضای داخلی ساختمان وفضاهای عمومی بیرونی عمل کرده و نمای ساختمان را به محیطی پاسخ‌گو مبدل ساخته است.
ادغام کامل فن‌آوری اطلاعات با معماری در بافت شهری نشان دهنده نوع جدیدی از سطح ارتباطات به اشکال بی‌سابقه‌ای از هنر بوده و زمینه‌ی پیش بینی رفتار و فعالیت‌های ساختمان را برای طیف گسترده‌ای از مخاطبان در داخل شهر پکن فراهم می‌آورد.(URL 10)

پرده کرکره‌های خورشیدی
از جلوه‌های دیگر سلول‌های فتوولتاییک ارگانیک می‌توان به پرده‌های کرکره‌ای قابل نصب در منازل یا ادارات اشاره کرد. این پرده از دو قسمت تشکیل شده: سلول‌های خورشیدی منعطف که روی هر کدام از نوارهای افقی پرده نصب شده‌اند و چراغ‌های ال .ای .دی . درساعات روز که پرده جهت حفاظت نور خورشید به داخل اتاق مورد استفاده قرار می‌گیرد. سلول‌های فتوولتاییک ارگانیک که بر روی نوارهای افقی کرکره جانمایی شده‌اند در جهت نور خورشید قرارگرفته ودر این مدت شارژ می‌شوند. شب هنگام زمانی که به سیستم روشنایی نیازاست. لامپ‌های ال.ای.دی که در لبه‌های داخلی نوارهای افقی کرکره نصب شده‌اند روشن می‌گردند وبدین صورت نور مورد نیاز اتاق تامین می‌گردد.
نمونه‌های مشابه پرده خورشیدی طراحی شده دست آورد نسل دوم فناوری‌های فتوولتاییک است که تحت تاثیر نانو مواد بوده و انعطاف پذیری، سبکی و شفافیت را به همراه دارد.(URL 10)

 

نتیجه‌گیری
با توجه به مصرف بی‌رویه انرژی‌های تجدیدناپذیر وآسیب‌های زیست محیطی، وضعیت انرژی جهان در مرحله بحرانی قرار دارد که چاره اندیشی در این زمینه راهگشای بقا و حفظ محیط برای نسل آینده خواهد بود. محققان عقیده دارند مقدار انرژی که در یک ساعت از خورشید به زمین می‌رسد بیش از کل انرژی است که بشر در طی یک سال مصرف می‌کند. بنابراین برای یافتن جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی که سازگار با محیط زیست باشد، فن آوری نانو روش‌هایی عملی پیش رو می‌گذارد تا ماده ارزانی همچون رنگ به پیل و باتری خورشیدی مبدل شود.
امروزه کشورهای مختلف با بهره‌گیری از فن‌آوری نانو و تلفیق آن با سایر تخصص‌ها به دستاوردهایی رسیده‌اند که از آن جمله می‌توان به هزینه‌های تولید و نگه‌داری کمتر،‌ مصرف انرژی پایین و طول عمر بیشتر اشاره کرد.
پیشرفت‌های صورت گرفته در این زمینه نظیر استفاده از اکسیدهای فلزی نازک که همزمان قابلیت عبور نور را فراهم آورده و نیز تولید شیشه‌های رنگی با استفاده از مواد طبیعی از جمله مواردی است که موجب افزایش توجه به استفاده از این سلول‌ها در صنعت ساختمان و صرفه‌جویی در مصرف انرژی گشته است. با پیشرفت سلول‌های فتوولتاییک وحضور نسل دوم وسوم این دسته از سلول‌ها، تحولاتی در نوع طراحی ونحوه‌ی استفاده‌ازآن‌ها نمایان شد.
از جمله موارد مهم استفاده از سلول‌های خورشیدی ارگانیک کاربردهای معماری آن است، که به واسطه مزایا و ویژگی‌های منحصر به فردی همچون قابلیت انعطاف، شفافیت وانتقال نور، تنوع رنگ، سبکی ونازک بودن آنها محقق می‌گردد.
از آن‌جا که این سلول‌ها علاوه بر نور خورشید می‌توانند از سایر نورهای مرئی موجود در محیط نیز به منظور القای نوری بهره گرفته، مجددا تولید الکتریسیته نمایند، استفاده از این سلول‌ها در مکان‌هایی که از تجهیزات روشنایی به میزان زیادی بهره گرفته می‌شود، بسیار مناسب خواهد بود. علاوه برآن به علت این‌که در سلول‌های غیر سیلیکونی یا ارگانیک از سیلیکون به میزان اندکی استفاده می‌شود ارزان قیمت تر وازنظر اقتصادی به صرفه‌تر خواهند بود.

۱- (pvs)
۲- نورخورشید ازفتون‌ها، یا ذرات انرژی خورشیدی ساخته شده است.
۳- (ARCs)
۴- CIGS
۵- CdTe
۶- a-Si
۷- (c-Si)
۸- (c-Si)
۹- (poly-Si)
۱۰-(mc-Si)
۱۱- Amorphous silicon
۱۲- Cadmium telluride
۱۳- Copper.indium.gallium.selenide
۱۴- Nano Solar Inc.
۱۵- Konarka Technology
۱۶- Nano sys Inc.
۱۷- GaAs
۱۸- مصاحبه: «هم اندیشی سلول‌های فتوولتاییک ارگانیک‌: مهندس آسیه السادات قرشی به راهنمایی دکتر جلیل اولیا »
۱۹- (DSSC )
۲۰- DSC
۲۱- OPV
۲۲- Quantum Dot Solar Concentrator
۲۳- GreenPix Zero Energy Media Wall
۲۴- Simone Giostra & Partners Architects
۲۵- the Xicui Entertainment Complex in Beijing
۲۶- LED
۲۷- Lighting Designer and Façade Engineers: Arup
۲۸- solar blind

Nanotechnology Applications in Photovoltaic Cell Technology

Abstract:
Unlike past ,in which all attention have been given to industries such as oil and energy ,today’s world has inclined to information technology,newmaterials,biotechnology,nanotechnology and electronics.with due attention to this that life circle of industries like oil will endsome day,investment on basis of nanotechnology finds a convincing explanation.
The use of nanotechnology will have a great impression for providing appropriate materials and with desired characteristics in different parts of building,forreducing energy consumptiondirectly and indirectly.for example with development of photovoltaic cells and presence of second generation of these cells some changes appeared in manner of designing and the special manner of using them.
In this research the facts of utilization of nanotechnology in connection with solar energy and its impact on photovoltaic cells is considered and analyzed.
Among important instances of using organic photovoltaic cells is it’s architectural application,
Since these cells in addition to sunlight can also use other existing visible lights in the enviroment and produce light again to light induction ,use of these cells in places where lighting equipments are widely used is very appropriate.in addition to it for the reason that in non-silicon or organic cells ,the silicon is slightly used ,it will be cheaper and economically more advantageous.
It can be also used in fabric and concrete structures and floating membranes due to it’s flexibility and being light.this valuable capability will allow the architects to special designs that are beyond installation frames of photovoltaic solar cells of second generation.
The other advantages of organic photovoltaic are transparency and light transmission.this feature allow us to use them in the façade glasses and places where we need to transmit the light; so we can enjoy both the sunlight and solar energy.

.

.

منتشر شده در: فصلنامه طراح / شماره ۵، بهار ۱۳۹۱ ، تکنولوژی ، صفحه ۱۱۴

به قلم: مریم ملازاده یزدانی

.

کپی‌رایت این مطلب متعلق به «دوهفته نامه طراح امروز» می‌باشد. لذا بازنشر آن در نشریات و فضای وب (وب‌سایت‌ها یا شبکه‌های اجتماعی) با هر شکل و عنوان، فقط با پذیرش کتبی شرایط گروه رسانه‌ای طراح در ثبت مرجع و ماخذ امکان‌پذیر است.