دانشمندان دانشگاه استنفورد با استفاده از تنگستن، یک سلول خورشیدی با بازده 22 درصدی ساختند!

محققان دانشگاه استنفورد با همکاری مرکز تحقیقاتی بلژیکی Imec، روش جدیدی را توسعه داده‌اند که امکان تولید مقیاس‌پذیر سلول‌های خورشیدی نیمه شفاف و کم‌هزینه را با استفاده از تنگستن به جای سیلیکون فراهم می‌کند.

این سلول‌های خورشیدی به نام‌ دی‌کالکوژنید فلزات واسطه یا سلول‌های خورشیدی TMD نیز شناخته می‌شوند، این سلول‌ها در مقایسه با سیلیکون دارای ضریب جذب و خواص نیمه‌رسانای بالاتری هستند.

افزایش تقاضا برای انرژی پاک و سبز، تعداد تاسیسات بادی و خورشیدی را در سراسر جهان افزایش داده است. در حالیکه توربین‌های بادی روز به روز بزرگ‌تر و از سواحل دور می‌شوند، پنل‌های خورشیدی انعطاف‌پذیری نصب را حتی در فضاهای شلوغ مانند شهرها ارائه می‌کنند.

پیش از این گزارش شده بود که چگونه پنل‌های خورشیدی بالکن‌ها را در اروپا تزئین می‌کنند و به کاربران این امکان را می‌دهند که وابستگی خود را به سوخت‌های فسیلی کاهش دهند در حالیکه هنوز به شبکه الکتریکی متصل هستند.

سال‌هاست که پنل‌های خورشیدی شفاف به‌عنوان پنجره‌های نسل بعدی معرفی شده‌اند که به نور اجازه ورود به ساختمان‌ها را می‌دهند و به‌عنوان منابع تولید برق نیز عمل می‌کنند. یکی از موانع اصلی در این رویا، تیرگی پنل‌های خورشیدی است که می‌تواند با سلول‌های خورشیدی TMD حل شود.

سلول های خورشیدی TMD چیست؟

سلول‌های خورشیدی TMD با ضریب جذب بالاتر خود، مدعی عملکردی بسیار بالاترند. با این حال، TMD دو بعدی است و دو مزیت اضافی را ارائه می‌دهد. اول اینکه این ماده بسیار انعطاف پذیر است و می‌توان از آن بر روی سطوح مختلف استفاده کرد.

مورد دیگر این است که می‌توان از آن برای ساخت سلول‌های خورشیدی نیمه شفاف استفاده کرد که در توسعه تکنولوژی‌هایی مانند پنجره‌های خورشیدی کاربرد دارد. سلول‌های خورشیدی TMD می‌توانند انقلابی در استفاده از انرژی خورشیدی در صنایع هوافضا، پوشیدنی و ساخت و ساز و به‌طور کلی هر جایی که یک سلول خورشیدی سبک و نیمه شفاف می‌تواند موثر باشد، ایجاد کنند.

با این حال، فرآیند تولید سلول‌های خورشیدی TMD برای استفاده در مقیاس‌های بزرگ نیز نسبت به سایر مدل‌ها مفیدتر واقع می‌شود.

تکنیک سازگار با تولید انبوه

پژوهشگران در استنفورد و Imec در بلژیک برای توسعه یک تکنیک جدید تولید TMD که می‌تواند غشاهای تنگستن دیزلنید (WSe2) را در ضخامتی ویفر مانند با ساختار لایه‌ای واندروالس تولید کند، همکاری کرده‌اند.

محققان افزودند که این تکنیک طول عمر حامل بار ماده را به 144 نانو ثانیه افزایش می‌دهد که 14 برابر بهتر از هر فیلم TMD تولیدشده تاکنون است.

همکاری آنها منجر به ایجاد یک فیلم چندلایه WSe2 شد که ضخامت آن بیشتر از 30 نانومتر نیست و روی یک ویفر 150 میلی‌متری قرار می‌گیرد. محققان از دو روش مخلف برای سلنیزه کردن استفاده کرده‌اند: سلنیوم منبع جامد (SS-Se) یا سلنید هیدروژن (H2Se).

سلنیوم حالت جامد به دمای بالاتر 1650 درجه فارنهایت (900 درجه سانتیگراد) نیاز دارد، در حالی که سلنیزه شدن با H2Se می‌تواند تنها در 1200 درجه فارنهایت (650 درجه سانتیگراد) رخ دهد. صرف نظر از فرآیند استفاده‌شده، فیلم WSe2 تولید‌شده دارای شکاف نواری حدود 1.2 تا 1.3 الکترون ولت است که آن را برای استفاده در سلول خورشیدی ایده‌آل می‌کند.

به گفته محققان، با بهبود ناخالصی‌ها و اتصالات، سلول خورشیدی می‌تواند به بازده تبدیل انرژی 22.3 درصد برسد. این عدد با سلول‌های خورشیدی تجاری موجود تقریبا یکسان است و راه را برای استفاده گسترده از سلول‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر در کاربردهای مختلف هموار می‌کند.

محققان افزودند که طول عمر حامل‌های بالاتر در سلول‌های خورشیدی WSe2 می‌تواند قدرت 64 وات بر گرم را در یک باتری یا حداکثر 3 وات بر گرم در یک ماژول خورشیدی ارائه دهد. فرآیند تولید نه تنها ساده بلکه کم هزینه است و آینده جدیدی را برای فتوولتائیک و نانوالکترونیک نوید می‌دهد.

منبع: Interesting engineering