نقش گوجه فرنگی در افزایش کارایی پنل‌های خورشیدی

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از آی ای، یکی از معایب اصلی انرژی خورشیدی در راندمان متفاوت پنل‌های خورشیدی نهفته است. اصطلاحات "بازده پنل خورشیدی" و "بازده سلول خورشیدی" به میزان نور خورشیدی که هر فناوری فتوولتائیک می‌تواند به انرژی قابل استفاده تبدیل کند، اشاره دارد.

به طور معمول، راندمان سلول‌های خورشیدی بسته به مکان، آب و هوا و سایر شرایط طبیعی و نوع سیستم انرژی خورشیدی مورد استفاده از ۱۵ تا ۲۲ درصد متغیر است. هر چند در چند سال اخیر، پیشرفت‌های لازم در فناوری فتوولتائیک به افزایش رقم آن کمک کرده است.

در سال ۲۰۲۲، یکی از باورنکردنی‌ترین اکتشافات در این زمینه به تیمی از محققان چینی مربوط می‌شود که اخیرا دریافته‌اند لیکوپن(رنگدانه‌ای که گوجه فرنگی را قرمز می‌کند) می‌تواند کارایی سلول‌های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت(Perovskite solar cell) را از ۲۰.۵۷ درصد به ۲۳.۶۲ درصد افزایش دهد.

لیکوپن یک آنتی اکسیدان است که گوجه فرنگی را قرمز می‌کند اما از پوست آن در برابر اشعه فرابنفش نیز محافظت می‌کند. زمانی که لیکوپن روی پنل‌های خورشیدی پروسکایت اعمال می‌شود، می‌تواند آنها را از تخریب ناشی از اشعه فرا بنفش محافظت کند و دوام آنها را افزایش دهد. این رنگدانه همچنین جریان الکتریکی را در صفحات خورشیدی پروسکایت بهبود می‌بخشد.

پنل‌های خورشیدی امروزی چقدر کارآمد هستند؟

برخی از انواع پنل‌های خورشیدی عملکرد بهتری نسبت به سایرین دارند. در حال حاضر، بیشتر پنل‌های خورشیدی تجاری(حدود ۹۰ درصد) مبتنی بر سیلیکون هستند، زیرا گزینه‌ای نسبتاً مقرون به صرفه هستند چرا که تا ۲۵ سال عمر می‌کنند و نیازی به نگهداری زیادی ندارند. اما آنها به ندرت از نرخ بهره‌وری ۲۰-۲۵ درصد فراتر می‌روند. انواع مختلفی از پنل‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون وجود دارد:

پنل‌های خورشیدی سیلیکونی آمورف(Amorphous silicon solar panels): این پنل‌ها یکی از ارزان‌ترین جایگزین‌های موجود در بازار به شمار می‌روند. این نوع پنل خورشیدی حاوی لایه‌های نازکی از شکل غیرکریستالی سیلیکون به نام سیلیکون آمورف(a-Si) است که به عنوان یک ماده نیمه‌رسانا عمل می‌کند. بازده این سلول خورشیدی تقریبا شش تا ۱۳ درصد است.

پنل‌های خورشیدی سیلیکونی پلی کریستالی(Polycrystalline silicon solar panels): این پنل‌های خورشیدی حاوی قطعاتی از خلوص بالا و شکل پلی کریستالی از سیلیکون هستند که با هم ذوب شده و به برش‌های نازکی تبدیل شده‌اند که سلول‌های خورشیدی را تشکیل می‌دهند. این پنل‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون دارای کریستال‌های زیادی هستند که حرکت الکترون‌ها را در آنها سخت‌تر می‌کند. بنابراین، نرخ بازده این نوع پنل خورشیدی معمولا حدود ۱۳ تا ۱۶ درصد است.

پنل‌های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی(Monocrystalline silicon solar panels) : این پنل‌های خورشیدی از سیلیکون تک کریستال خالص در ویفرها تشکیل شده و رنگ سیاه تیره و بازدهی تقریبا ۱۷ تا ۲۴ درصد دارند. با این حال، ساخت آنها می‌تواند پیچیده و گران باشد.

در الکترونیک، ویفر(wafer) که گاهی برش یا زیرلایه نیز نامیده می‌شود، یک برش نازک از یک نیم‌رسانا مانند سیلیکون بلورین است که در ساخت تراشه‌های الکترونیکی و در فتوولتائیک برای ساخت سلول‌های خورشیدی کاربرد دارد.

سپس، پنل‌های خورشیدی پروسکایت را داریم که از ترکیبات ساختاری پروسکایت به عنوان لایه جذب کننده نور ساخته شده‌اند. اینها ترکیباتی بر اساس ساختار کریستالی تیتانات کلسیم هستند که امکان جاسازی کاتیون‌های مختلف(یون‌های با بار مثبت) را فراهم می‌کند.

پنل‌های خورشیدی پروسکایت ساخته شده با پروسکایت هالید سرب نسبت به پنل‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کم هزینه و کارآمدتر هستند(نرخ بازدهی آنها حدود ۲۵ درصد است). با این حال، آنها به راحتی توسط رطوبت، گرما، نور و عوامل دیگر تخریب می‌شوند.

این پنل‌های خورشیدی به دلیل عمر کوتاه‌شان در حال حاضر در بازار قابل رقابت نیستند. با این حال، سایر ویژگی‌های آن‌ها امیدوارکننده است و دانشمندان از جستجوی راه‌های جدید برای افزایش پایداری، دوام و کارایی این پنل‌ها دست برنداشته‌اند. اینجاست که لیکوپن، "رنگدانه گوجه فرنگی" وارد عمل می‌شود.

چگونه کارایی پنل خورشیدی را بهبود بخشیم؟

پودر لیکوپن

لیکوپن یک آنتی اکسیدان طبیعی است. به این ترتیب، اکسیداسیون(واکنش شیمیایی مسئول رادیکال‌های آزاد) را مهار می‌کند. رادیکال‌های آزاد یون‌ها، اتم‌ها یا مولکول‌هایی هستند که تعداد الکترون‌های آنها یکنواخت نیست. این آنها را ناپایدار می‌کند و می‌توانند واکنش‌هایی را فعال کنند که دی.ان.ای را تغییر می‌دهد و باعث آسیب سلولی در موجودات زنده می‌شود.

لیکوپن به رادیکال‌های آزاد تولید شده توسط تابش فرابنفش خورشید متصل می‌شود و آنها را پایدارتر می‌کند. به این ترتیب، این رنگدانه با کاهش آسیب سلولی در بافت پوست، از گوجه فرنگی و سایر میوه‌های قرمز در برابر اشعه فرا بنفش محافظت می‌کند.

با دانستن این موضوع، محققان چینی این فرضیه را مطرح کردند که لیکوپن می‌تواند میزان تخریب پنل‌های خورشیدی پروسکایت تولید شده توسط اشعه فرابنفش را کاهش داده و دوام آنها را افزایش دهد.

پس از آزمایش‌ها، آن‌ها دریافتند که لیکوپن مرزهای دانه را غیرفعال می‌کند(رابط بین دو دانه یا کریستالیت‌ها در مواد پلی‌کریستالی)، بلورینگی و شفافیت را بهبود می‌بخشد و تراکم تله‌های الکترونی که در مجموع باعث افزایش جریان الکتریکی در پنل‌های خورشیدی می‌شود را کاهش می‌دهد و بنابراین کارایی آنها نیز افزایش می‌یابد.

با این حال، این اولین بار نیست که دانشمندان موفق به بهبود کارایی صفحات خورشیدی پروسکایت می‌شوند. در آوریل ۲۰۲۱، گروهی از دانشگاه سیتی هنگ کنگ، "فروسن" (ferrocenes) یک ترکیب آلی فلزی مبتنی بر آهن را که برای اولین بار در سال ۱۹۵۱ در دانشگاه دوکسن تهیه شد، به سلول‌های خورشیدی پروسکایت اضافه کردند و کارایی آنها را تا ۲۵ درصد افزایش دادند و در عین حال تست پایداری تعیین شده توسط کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی سلول‌های خورشیدی را نیز گذراندند.

در سپتامبر همان سال، محققان هلندی یک دستگاه چهار پین پروسکایت-سیلیکون پشت سر هم ساختند که از مخلوط سلول‌های خورشیدی سیلیکونی با سلول‌های خورشیدی پروسکایت برای استخراج انرژی از نور مرئی و طیف مادون قرمز(از طریق سلول‌های خورشیدی سیلیکونی) به علاوه طیف فرابنفش(از طریق سلول‌های خورشیدی پروسکایت) استفاده می‌کرد. این دستگاه به نرخ بازدهی ۳۰.۱ درصد دست یافت.

در مورد پنل‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون، یکی از راه‌های بهبود کارایی آنها، افزودن لایه‌های نازک پروسکایت یا سایر مواد جاذب نور(مانند اکسید سیلیکون) است. راه دیگر قرار دادن بازتابنده‌های آینه در زوایای خاص در نزدیکی صفحات خورشیدی است تا به آنها کمک کند نور خورشید بیشتری را جذب کنند.

علاوه بر این، عدسی‌های فرنل(Fresnel lenses) می‌توانند به عنوان متمرکز کننده‌های خورشیدی برای ساخت پنل‌های خورشیدی استفاده شوند که به معنای واقعی کلمه نور خورشید دریافتی را روی سلول‌های خورشیدی خود متمرکز می‌کنند.

عدسی فرسنل(Fersnel Lens) نوعی عدسی است که در اصل توسط یک فیزیکدان فرانسوی به نام آگوستن-ژان فرسنل برای فانوس‌های دریایی ساخته شد. طراحی آن به گونه‌ای است که امکان تولید لنزهایی با دهانه بزرگ و فاصله کانونی کوچک را فراهم می‌کند، بدون اینکه نیازی به جرم و حجمی از ماده که در لنزهای سنتی استفاده می‌شود باشد. در مقایسه با لنزهای سنتی حجیم، عدسی فرسنل بسیار نازک‌تر، بزرگ‌تر و مسطح‌تر است و نور مایل بیشتری را از منبع جذب می‌کند؛ بنابراین این امکان را فراهم می‌آورد که فانوس‌های دریایی از فاصله‌های بسیار دور رویت‌پذیر باشند.

چه عواملی بر راندمان پنل خورشیدی تأثیر می‌گذارد؟

جدای از تکنیک‌های ذکر شده در بالا، کارایی پنل خورشیدی را می‌توان تحت تأثیر موارد زیر قرار داد:

شرایط آب و هوایی: دمای بالا برای تولید انرژی خورشیدی مشکل ساز است زیرا گرما ولتاژ خروجی پنل‌های خورشیدی را کاهش می‌دهد. پوشش ابری نور مستقیم خورشید را که پنل‌های خورشیدی دریافت می‌کنند کاهش می‌دهد و برف سنگین می‌تواند آنها را کاملاً مسدود کند.

جهت‌گیری و زوایا: پنل‌های خورشیدی باید تا حد امکان در معرض نور خورشید قرار بگیرند تا کارایی بیشتری داشته باشند. آنها باید در نیمکره شمالی به سمت جنوب و در نیمکره جنوبی به سمت شمال باشند، اما این بدان معنا نیست که یک جهت ثابت ایده آل است. تجهیزاتی برای ردیابی حرکت خورشید توصیه می‌شود.

سایه زدن: سایه زدن می‌تواند کارایی پنل‌های خورشیدی را تا بیش از نصف کاهش دهد. همه انواع پنل‌های خورشیدی زمانی که دور از درختان بلند یا سایر اشیاء سایه افکن نصب می‌شوند و یا اگر دیودهای گذرگاه سیم‌کشی موازی با سلول‌های خورشیدی داشته باشند، بهتر عمل می‌کنند.

نگهداری: با گذشت زمان، گرد و غبار و زباله در پنل‌های خورشیدی جمع می‌شود و عملکرد آنها را کاهش می‌دهد. باران اغلب آلودگی‌ها را از بین می‌برد، به همین دلیل است که پنل‌های خورشیدی به تعمیر و نگهداری بسیار کمی نیاز دارند، اما این یک واقعیت است که پنل‌های خورشیدی باید تمیز باقی بمانند تا با حداکثر راندمان خود کار کنند.

سطوح تابش:"خورشید دهی"(Insolation) به انرژی نور خورشید در واحد سطح در طول زمان اشاره دارد. تغییرات منطقه‌ای سطوح تابش را با توجه به موقعیت پنل خورشیدی می‌توان در نمایشگر دسترسی به داده‌های برق ناسا بررسی کرد.