نانوفناوری حوزهای میان رشتهای از علوم، مهندسی و فناوری است که در مقیاس نانو، یعنی از 1 تا 100 نانومتر شکل میگیرد. در واقع، نانوفناوری، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن كنترل در سطوح ملكولي و اتمي و استفاده از خواصی است كه در آن سطوح ظاهر ميشود. از همين تعريف ساده برميآيد كه نانوفناوری يك رشته جديد نيست، بلكه رويكردي جديد در تمام رشتهها است. به همین دلیل، کاربردهای فناوری نانو در حوزه های گستردهای چون فیزیک، شیمی، زیست فناوری، علم مواد و مهندسی به اثبات رسیده است. نخستین بار «ریچارد فاینمن»، فیزیکدان برندهی جایزه ی نوبل و پدر فناوری نانو، در سال 1959 در سخنانی در دانشگاه CalTech ایده فناوری نانو را مطرح کرد. اگرچه آزمايشها و تحقيقات پيرامون نانوفناوری از ابتداي دهه 1980 بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنكردني نانوفناوری در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد كه نظر تمامي كشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد. به طوری که گفته میشود نانوفناوری در کنار زیست فناوری و فناوری اطلاعات، دانشهای شکل دهندهی آیندهی بشر هستند.
امروزه، عواملی چون رشد جمعیت، رشد صنایع، توسعه یافتگی جوامع و غیره، نیاز به انرژی را بسیار افزایش داده است. اما با بالا گرفتن مخاطرات زیست محیطی سوختهای فسیلی، توجه به انرژیهای پاک بیشتر شده است. در میان تمام انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی، با توجه به فراوانی بسیار و دوستدار محیط زیست بودن، بسیار مورد توجه بوده و یکی از بیشترین منابع مورد استفاده کشورها میباشد. به عبارتی میتوان تصریح کرد که انرژی خورشیدی منحصربهفردترین منبع انرژی تجدیدپذیردر جهان است و منبع اصلی تمامی انرژیهای موجود در زمین میباشد.
ایران با داشتن حدود ۳۰۰ روز آفتابی در سال جزو بهترین کشورهای دنیا در زمینه پتانسیل انرژی خورشیدی میباشد. با توجه به موقعیت جغرافیای ایران و پراکندگی روستایی در کشور، استفاده از انرژی خورشیدی یکی از مهمترین عواملی است که باید مورد توجه قرار گیرد. با توجه به استانداردهای بینالمللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از 5/3 کیلووات ساعت در مترمربع باشد، استفاده از سیستمهای خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا سیستمهای فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه است [1].در بسیاری از قسمتهای ایران انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از این میانگین بینالمللی میباشد و در برخی از نقاط حتی بالاتر از ۷ تا ۸کیلو وات ساعت بر مترمربع اندازهگیری شده است [2]. ولی به طور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود 5/4 کیلو وات ساعت بر مترمربع است. با توجه به شکل 1 میتوان به جایگاه ممتاز ایران در پتانسیل انرژی خورشیدی پی برد.
| ایران |
شکل 1 اطلس انرژی خورشیدی در جهان و موقعیت منحصر به فرد ایران از نظر تابش [3]
1- توان خورشیدی: تولید متمرکز یا پراکنده؟
انرژی خورشیدی فراوان، رایگان و سازگار با محیط زیست است و به همین دلیل، در سال های اخیر با توسعه و افزایش ظرفیت چشمگیری مواجه بوده است. در کشورهای مختلف با پتانسیل های نسبتاً مناسب تابش خورشید، انواع سیستمهای توان خورشیدی نصب شده و به مدار وارد گردیده است. در حال حاضر، حدود 178 گیگاوات توان خورشیدی در سراسر دنیا نصب شده است که سهم سال 2014 در حدود 40 گیگاوات بوده است. با توجه به روند کاهش قیمت توان خورشیدی در دههی اخیر (که با کاهش 75 درصدی قیمت در 10 سال اخیر مواجه بوده)، پیش بینی میشود که ظرفیت نصب شده توان خورشیدی تا سال 2020 به بیش از 500 گیگاوات برسد [4-5].
در یک دسته بندی کلی میتوان گفت که بهرهگیری از توان خورشیدی به دو صورت انجام میگیرد. در حالت اول، با ساخت نیروگاههای با ظرفیت بالا در پهنههای وسیعی از مناطق با پتانسیل خورشیدی، اقدام به استحصال توان از خورشیدی میشود. در حالت دوم، بر خلاف حالت نخست که توان خورشیدی به صورت متمرکز تولید میگردید، واحدهای کوچکی از سیستمهای خورشیدی نصب گردیده و توان الکتریکی تولید میشود. به این روش، که یکی از مفاهیم نوین در شبکههای نوین انرژی در دنیا است، «تولید پراکنده» اطلاق میشود. از آنجا که ماهیت ذاتی انرژیهای تجدیدپذیر، از جمله انرژی خورشیدی، عمدتاً به صورت محلی و پراکنده میباشد، طبیعی است که بهرهگیری از این انرژیها، به صورت تولید محلی و پراکنده به جای تولید انبوه و متمرکز بیشتر توجیه پذیر خواهد بود.
تولید توان از انرژی خورشید به صورت انبوه و در نیروگاههایی با ظرفیت بالا، در برابر تولید پراکنده این انرژی، با کاستیهایی مواجه است. برخی از این موارد عبارتند از:
- اتلاف توان در شبکههای انتقال برق؛
- نیاز به زمین با مساحتهای بالا؛
- نیاز به تجهیزات جانبی[1] (BOS) پیچیدهتر و پرهزینهتر؛
- نیاز به سیستمهای کنترلی پیچیده برای اتصال به شبکه.
به همین دلیل، طبق آمار، امروزه اکثر ظرفیت توان خورشیدی در دنیا به صورت تولید محلی میباشد. شکل 2 آماری از انواع روشهای استحصال انرژی خورشیدی را نشان میدهد.
شکل 2 انواع روش های استحصال توان از انرژی خورشیدی [6]
2- چالشهای تولید محلی توان از انرژی خورشیدی
همان گونه که اشاره شد، اکثر ظرفیت کنونی توان خورشیدی مربوط به تولید محلی است. تولید محلی توان خورشیدی نیز خود به دو دسته تقسیم میشود: 1) نصب در بام و زمین[2]؛ 2) سلولهای فتوولتاییک یکپارچه با ساختمان[3] (BIPV).
در حال حاضر، اکثریت قریب به اتفاق ظرفیت تولید محلی در دنیا به دسته اول تعلق دارد. چرا که به دلیل سهولت نصب، تا حدودی نیاز بازار را رفع مینماید. شکل 3 مقایسهای میان انواع روشهای نصب، توان حداکثر، سهولت نصب و سهم بازار را ارائه میدهد.
در این میان، اگرچه تمایل کنونی بازار به نصب ساده سلولهای خورشیدی در ساختمانها است، اما پیش بینی میشود که این روش، با توجه به معایبی که دارد، بخشی از سهم خود را به روش BIPV بدهد. دو مورد از مهم ترین کاستیهای سیستمهای ساده در مقابل سیستمهای BIPV عبارتند از:
- عوامل زیبایی شناسانه و برهم زدن نمای ظاهری ساختمان
- عدم کاربرد در ساختمانهای با طبقات زیاد و مساحت پشت بام کم
شکل 3 اعداد داخل دایره معرف سهم بازار در انواع سیستم های فتوولتاییک [4 و 6]
3- سلولهای خورشیدی شفاف: تحولی در صنعت خورشیدی
3-1- تلاشهای اولیه
با بروز و ظهور راهکارهایی مبنی بر یکپارچه سازی سلولهای خورشیدی با انواع ساختمانها، ایدههای مختلفی بدین منظور در فناوری و صنعت سلولهای خورشیدی مطرح و توسعه پیدا کرد. بر خلاف نسلهای گذشتهی سلولهای خورشیدی (مانند سلولهای بر پایه سیلیکون) نسلهای جدید مانند سلولهای حساس شده به رنگدانه یا نقاط کوانتومی (که سلولهای نانوساختار نامیده میشوند) امکان بهبود و یکپارچه سازی ساختار سلولها را با ساختمان تا حدودی فراهم مینمودند [7].
یکی از ایدههای اولیه برای ایجاد BIPV، به کار گیری سلولها به صورت کاشیهای منفرد و بر روی یک زیر لایه شفاف بوده است. شکل 4 نمونهای از این کاربری را نشان میدهد. اگر چه این ایده تا حدودی کارگشا است، اما مشکلاتی نظیر عدم زیبایی و اخلال در مدیریت روشنایی ساختمان را به دنبال دارد. با این وجود، همچنان یکی از گزینههای اصلی به شمار میرود.
شکل 4 استفاده از سلولهای خورشیدی به صورت کاشیهای مجزا [8]
3-2- سلولهای تمام شفاف با کمک فناوری نانو
با ورود فناوری نانو به عرصهی ساخت سلولهای خورشیدی، بهبودها و پیشرفتهای شگرفی در این عرصه حاصل شد. در یک نگاه کلان، نانوفناوری به روشهای گوناگون باعث بهبود بازده یا کاهش قیمت ساخت سلولهای خورشیدی گردید. اما از سوی دیگر، با معرفی نمونهها و ساختارهای نوینی از سلولهای خورشیدی، دریچههای جدیدی از انواع کاربریهای سلول خورشیدی به دنیای صنعت و فناوری گشوده شد. سلولهای خورشیدی کاملا شفاف از این دستهاند.
ساختار کلی سلولهای خورشیدی شفاف به صورت ترکیبی از یک زیرلایهی شفاف و لایههایی از جنسها و ضخامتهای متفاوت است. در تحقیقات گوناگون، با بهره گیری از ترکیبات و مواد گوناگون، به صورتهای مختلف در عملکرد این سلولها بهبود حاصل شدهاست.
در جدیدترین نمونه از این گروه از سلولها، با استفاده از یک زیرلایه شفاف (از جنس شیشه یا پلاستیک) و نانولایههایی با خواص اپتیکی مختلف یک سلول تمام شفاف به دست آمدهاست. شکل 5 ساختار این سلول را نشان میدهد. بر خلاف سلولهای خورشیدی رایج که در طیف خورشید، اغلب ناحیه نور مرئی را جذب و تبدیل میکنند، سلولهای شفاف، نور مرئی را از خود عبور داده و در عوض ناحیه فرابنفش (UV) و نزدیک به فروسرخ (NIR) را جذب کرده و تولید توان میکنند. شکل 6 تفاوت میان طیف جذب سلول خورشیدی شفاف با یک سلول معمولی را نشان میدهد. این خصوصیت منحصر به فرد در سلولهای خورشیدی شفاف، باعث ایجاد کاربردهای وسیع در ساختمانها و خودروها میشود. میزان گذردهی نور مرئی در انواع مختلف سلول از 50 تا 80 درصد متفاوت است.
شکل 5 ساختار یک سلول خورشیدی شفاف؛ قسمتهای مختلف این سلول عبارتند از: 1) زیرلایه شفاف؛ 2) الکترود شفاف؛ 3) لایههای فعال UV/NIR؛ 4) بازتاب دهنده UV/NIR؛ 5) لایههای ضد بازتاب [9و 10].
ضخیمترین لایه در این ساختار، لایهی 1 میباشد که از جنس شیشه یا پلاستیک بوده و روی آن عمل لایه نشانی و پوشش انجام میشود. سایر پوششها در ابعاد نانو در سمت راست این لایه قرار داده میشوند. در مرکز لایهها، دولایهای فعال قرار دارند (لایهی شماره 3) که با دریافت نور تحریک شده و تولید الکترون میکنند. یکی از این دو لایه از جنس کلروآلومینیوم فتالوسیانین (ClAlPc) بوده و به عنوان دهندهی الکترون ارگانیک عمل کرده و دیگری، یک گیرندهی الکترون از جنس C60 میباشد. ضخامت ClAlPc برابر با 15 و C60 برابر با 30 نانومتر میباشد. در دو سوی این لایهها، الکترودها لایه نشانی میشوند (لایههای 2). این الکترودها از جنس ITO/MoO3 میباشند. ضخامت این الکترودها نیز کمتر از 20 نانومتر است. از آنجا که الکترودها باید شفاف باشند (و نه از جنس فلز معمولی)، یک لایه در انتهای سلول میتواند اضافه شود تا طول موجهای مشخصی از نور خورشید را بازتاب داده و دوباره به محیط سلول باز گرداند، تا فرایند جذب و تبدیل مجددا تکرار گردد (لایهی 4). نهایتا دو لایهی ضد بازتاب در منتهی الیههای بیرونی سلول اضافه میشود تا از بازتابش نور به بیرون جلوگیری کند. با چنین ساختاری، این سلول بازدهی در حدود 4/2 درصد ارائه میدهد که در عین حال، قادر به عبور بیش از 70% نور مرئی خورشید از خود است. شکل 6 تفاوت طیف جذب این سلول را با یک سلول معمولی سیلیکونی نشان میدهد. مشاهده میشود که طی این قابلیت منحصر به فرد، اکثر نور مرئی عبور کرده و در طول موج های کوتاه و بلند طیف نور خورشید جذب و تبدیل رخ میدهد.
اگرچه میزان عبوردهی این سلولها بالا بوده و در محدودهی شیشههای معمولی به کار رفته در پنجرهها قرار میگیرد، اما بازده تبدیل انرژی آنها پایین است. اما محاسبات محققان نشان میدهد که این سلولها توانایی رسیدن به بازده تا 12% را هم دارند. رسیدن به این مقدار بازده بسیار چالش برانگیز و دشوار است؛ اما محققان امیدوارند که به کمک فناوری نانو، رسیدن به بازده 10% بدون از دست دادن خاصیت عبور دهی سلول میسر میباشد که این امر مستلزم ایجاد انواع بهبودها، چه در مواد نانویی به کار رفته در سلول و چه در ساختار و ضخامت این نانولایه ها خواهد بود.
شکل 6 تفاوت طیف جذب سلول خورشیدی شفاف و معمولی؛ خطوط خاکستری رنگ، طیف نور خورشیدی، خطوط سیاه طیف جذب سلولها و ناحیه رنگی طول موج نور مرئی را نشان میدهد [10].
برای این نوع سلولهای خورشیدی، کاربردهای متنوعی قابل تصور است. از به کار گیری در پنجرههای ساختمانها و خودروها تا استفاده در شیشههای ادوات الکترونیکی، همگی از قابلیتهای بالقوهی این سلولها در آینده به شمار میروند [9].
هزینهی به کار گیری این فناوری به عوامل مختلفی نظیر محل و نوع کاربری، بازده سلول و موارد دیگر بستگی دارد. اگر چه فناوری ساخت این سلولها هنوز در ابتدای راه است، اما در مقایسه با سیستمهای خورشیدی متداول، مزایای گوناگونی را میتوان برای آنها بر شمرد. برای نمونه، این سلولها ارگانیک بوده و فرآیند ساخت آنها مطابق با محیط زیست است. فرآیند ساخت و لایه نشانی در دمای محیط انجام میشود و نیازمند انرژی زیاد نیست. همچنین نیازی به استفاده از شیشه نیست، چرا که این ماده هزینهی زیادی را برای ساخت سلول در بر دارد. حتی در حین فرآیند نصب نیز، میتوان صرفهجوییهای بیشتری به دست آورد. طی یک عمل تغییر شیشه ساده، میتوان این سلولها را در پنجرهها تعبیه کرد و در واقع قاب این سلولها همان پنجرههای دوجداره معمولی نیز میتواند باشد. این در حالی است که در حین نصب سلولهای خورشیدی به روش ساده، نیاز به سازه و ساختار برای پنلها میباشد که حدود نیم تا دو سوم هزینهی کل سیستم خورشیدی را در بر میگیرد. همچنین توزیع برق تولید شده در پنجرهها نیز ساده است. این کار به راحتی با تعبیهی سیمهای اتصال، ادوات الکترونیک قدرت مورد نیاز و پریزهای ساده در کنار هر پنجره یا مجموعهای از پنجرهها قابل انجام است.
از سوی دیگر، در ساختمانهای بلند، اگر تمام پنجرهها به این سلولهامجهز گردد، با در نظر گیری بازده تنها 5% برای سلولها، تقریبا حدود یک چهارم نیاز ساختمان از این طریق تامین میشود. از سوی دیگر، از آنجا که این سلولها اشعه فروسرخ را جذب میکنند، دمای ساختمان تعدیل شده و نیاز به تهویه کاهش مییابد. در یک نگاه کلی، چنانچه این سلولهای شفاف با ساختمان به صورت اصولی یکپارچه گردند، مزایای فراوانی را به دنبال دارند که در شکل 7 به آنها اشاره شده است.
شکل 7 مزایای سلولهای خورشیدی شفاف در یکپارچه سازی با ساختمان [4، 9و 10]
4- بررسی پتانسیل اقتصادی سلولهای خورشیدی شفاف
4-1- سلولهای خورشیدی شفاف در ایران
فناوری نانو عمر دیرپایی در کشور ندارد. اما خوشبختانه اهمیت و جایگاه این فناوری در کشور به درستی درک شده و به لطف اهتمام مسئولان و پژوهشگران، پیشرفتهای بسیار قابل توجهی در سالهای گذشته در این زمینه به دست آمدهاست که موید این مطلب، قرار گیری ایران در میان 10 کشور برتر مولد علم و دانش در حوزهی فناوری نانو در جهان میباشد.
فناوری نانو در زمینههای مختلفی در کشور، مورد تحقیق و پژوهش قرار گرفته و در شاخههای گوناگونی از فناوری، بهبودهایی را به ارمغان آورده است. در صنعت سلولهای خورشیدی، کاربرد نانوفناوری در حوزههایی چون ساخت سلولهای خورشیدی حساس شده به رنگدانه یا نقاط کوانتومی به مرحلهی عمل رسیده است [11-12]. در زمینه ساخت سلولهای خورشیدی نانوساختار شفاف اما کشورمان در ابتدای راهاست. با این وجود، پژوهشهایی در این زمینه توسط محققین کشورمان انجام شدهاست که برخی از آنها عبارتند از:
- ساخت الكترودهاي شفاف منعطف گرافن-نقره براي كاربرد در سلول خورشيدي پليمري در دانشگاه صنعتی امیرکبیر و ثبت اختراع آن در پایگاه مالکیت معنوی کشور [13].
- ساخت لایهی نیمه رسانای شفاف FTO برای کاربرد سلولهای خورشیدی با همکاری محققین پژوهشگاه نیرو و دانشگاه تربیت مدرس [14].
- تولید و تجاری سازی نانو ذرات اکسید روی (ZnO) برای ساخت لایههای رسانای شفاف در سلولهای خورشیدی توسط پژوهشگران دانشگاه یزد [15].
با توجه به جایگاه رفیع ایران در فناوری نانو و نیز پتانسیل بالای کشورمان در انرژی خورشیدی، امید میرود که عرصهی ساخت سلولهای خورشیدی شفاف و سایر ادوات کاربردی در این حوزه بیش از پیش مورد اقبال جوامع دانشگاهی و صنعتی قرار گیرد.
4-2- سلولهای خورشیدی شفاف در جهان
با توجه به ظرفیت بالای فناوری سلولهای خورشیدی شفاف برای ورود به بازار و تجاریسازی، کارهای پژوهشی فراوانی در این زمینه در دانشگاههای معتبر دنیا به انجام رسیده و نتایج این پژوهشها در مجلات علمی به چاپ رسیده است. از جمله میتوان به دانشگاههایی نظیر دانشگاه MIT، میشیگان، آکسفورد، پلی تکنیک هنگ کنگ و غیره اشاره کرد. علاوه براین برخی از این پژوهشها حتی به عرصه تجاری رسیده و شرکتها و کمپانیهایی در این زمینه فعال شدهاند.
از سوی دیگر، تبدیل علم به یک محصول دانش بنیان از اهمیت خاصی برخوردار است. در زمینهی ساخت سلولهای خورشیدی شفاف این نیاز توسط برخی از کشورها و شرکتهای فعال حس شده است. ورود به این حوزه از صنعت خورشیدی در قالب انواع استارتآپها (شرکت های نوپای فناورانه) و یا شرکتهای دانش بنیان بوده است. شکل 8 برخی از این شرکتها را که در زمینهی ساخت سلولهای خورشیدی شفاف و ادوات مرتبط با آن، به طور مثال شیشهها و پنجرههای خورشیدی و یا نانومواد مورد نیاز در این زمینه، فعالیت میکنند را نشان میدهد.
شکل 8 شرکتهای فعال جهان در فناوری سلولهای خورشیدی شفاف
5- جمعبندی
امروزه صنعت و دانش سلولهای خورشیدی بسیار فراتر از سلولهای رایج کنونی پیش رفته است. نمونهای از این نوآوریها، سلولهای خورشیدی شفاف هستند که در این گزارش به آن اشاره شد. این سلولها در کنار عبور نور برای روشنایی محل، میتوانند با مکانیزمی ساده تولید برق کنند. سلولهای خورشیدی شفاف با بهرهگیری از تکنیکهای فناوری نانو قابلیتهای منحصر به فردی از خود ارائه دادهاند، و با توجه به اهمیت موضوع انرژی در ساختمان، پیشبینی میشود که در سالهای نه چندان دور، نمونههایی بسیار کاربردی از این نوآوری را در بازارها شاهد باشیم. همچنین، با رشد روزافزون و پرشتاب بازار ادوات الکترونیکی شخصی نظیر تلفنهای هوشمند، میتوان ورود این سلولها به عرصهی ساخت در این ادوات الکترونیک را پیشبینی نمود.
منابع
- 1. روزنامه اعتماد، شماره 3012، 26 تیر 1393.
- http://barghnews.com/fa/news/11002
- http://solargis.info
- http://www.solarpowereurope.org
- Europe, SolarPower. “Global market outlook for solar power 2015-2019.”Euoropean Photovoltaic Industry Association, Bruxelles, Tech. Rep(2015).
- http://ww2.frost.com
- Lunt, Richard R., et al. “Practical roadmap and limits to nanostructured photovoltaics.”Advanced Materials23.48 (2011): 5712-5727.
- http://www.solarchoice.net.au/blog/bipv-building-integrated-photovoltaics-the-future-of-pv/
- Lunt, Richard R., and Vladimir Bulovic. “Transparent, near-infrared organic photovoltaic solar cells for window and energy-scavenging applications.” (2011).
- http://mitei.mit.edu/news/transparent-solar-cells
- http://www1.jamejamonline.ir/newstext2.aspx?newsnum=100811107264
- http://www.isna.ir/fa/news/93032714990
- http://iripo.ssaa.ir (پایگاه اطلاع رسانی مرکز مالکیت معنوی)
- 14. فاطمه دبیر؛ رسول صراف ماموری و نسترن ریاحی نوری، ۱۳۹۰، ساخت لایه نیمه رسانای شفاف FTO برای کاربرد سلول خورشیدی،بیست وششمین کنفرانس بین المللی برق،تهران،شرکت توانیر،پژوهشگاه نیرو، 1390.
15. http://barghnews.com/fa/news/10304..
[1]Balance of system
[2]roof top and ground installation
[3]Building integrated PV
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- دکتر رقیه قاسم پور
- محمد حسن قدوسی نژاد
- گروه ترویج صنعتی انرژیهای نو و تجدید پذیر
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
