۱- سلولهای خورشیدی
امروزه بهرهوری از انرژی دائمی، پاک و ارزانقیمت خورشید جهت راهاندازی تجهیزات در حوزههای صنعتی مختلف بطور جدی مورد توجه قرار گرفته است. انرژی نورانی خورشید میتواند مستقیما از طریق اثر فتوولتائیک و به کمک سلولهای خورشیدی به انرژی الکتریکی تبدیل شود. در سالهای اخیر فناوری نانو کمکهای شایانی به بهبود عملکرد سلولهای خورشیدی کرده است که در ادامه به مهمترین آنها اشاره میشود.
۱-۱- سلولهای خورشیدی ارزانقیمت بر پایه نانوساختارها
نسل اول سلولهای خورشیدی که عمده سلولهای تجاری موجود در بازار را شامل میشوند بر پایه ویفرهای سیلیکونی تککریستال و پلیکریستال تهیه میگردند. فناوری تولید بسیار پیچیده این سلولها تنها در اختیار چند کشور بوده و هزینه تمام شده ساخت آنها بالا است. در سالهای اخیر فناوری نانو تحول گستردهای در تولید سلولهای خورشیدی ایجاد کرده است بهگونهای که نسلهای بعدی سلولهای خورشیدی بر پایه لایههای نازک با ضخامتهای نانومتری مطرح شدهاند. سلولهای نانوساختار در انواع مختلفی ارائه شدهاند که از میان آنها سلولهای خورشیدی سیلیکون آمورف، مسایندیومگالیومسلناید (CIGS)، گالیمآرسناید (GaAs) و کادمیمتلوراید (CdTe) تجاریسازی شده و در بازارهای جهانی به فروش میرسند. سلولهای خورشیدی رنگدانهای (DSSC) نیز در مقیاس نیمهصنعتی و در مصارف زینتی ساختمانی عرضه شدهاند. سایر انواع این سلولها مانند سلولهای خورشیدی پروسکایتی، مسرویقلعگوگرد (SZTS)، نقاطکوانتومی و پلیمری عمدتا در مرحله تحقیق و توسعه میباشند. اهمیت فناوری نانو در این حوزه آن است که اگر ضخامت لایههای نازک ایجاد شده از حدی بیشتر شوند، به علت محدود بودن طول حرکت الکترون در سیستم بازترکیب الکترون و حفره اتفاق میافتد و عملا نمیتوان از سلول مونتاژ شده جریان الکتریکی گرفت. این سلولهای نانوساختار در مقایسه با سلولهای سیلیکونی دارای فناوری ساخت سادهتری هستند و به علت میزان کم مواد مورد استفاده در ضخامتهای نانومتری، قیمت تمام شده کمتری نسبت به سلولهای نسل اول دارند. از مهمترین مزایای سلولهای نانوساختار آن است که جوهر یا خمیری از مواد مورد نیاز میتواند به راحتی توسط روشهای لایهنشانی چاپی مانند دکتر بلید (Dr blade)، چرخشی (Spin coating)، غوطهوری (Dip coating)، روزنهشیاری (Slot-die) و صفحهای (Screen printing) تهیه شود که نسبت به روشهای تولید ویفر سیلیکون در سلولهای نسل اول به دانشفنی سادهتر و تجهیزات کم هزینهتر نیاز دارند. بهعلاوه این سلولها قابلیت لایهنشانی روی زیرلایههایی مانند شیشه و پلیمرها را دارند که باعث شده است تا دستیابی به انرژی خورشیدی فتوولتائیک بسیار به صرفهتر شود. بهطور کلی تولید سلولهای سیلیکونی در خطوط تولید چند صد مگاواتی مقرون بهصرفه است که راهاندازی این خطوط تولید خود نیازمند سرمایه اولیه قابل توجه (در محدوده میلیارد دلار) هستند. اما میتوان سلولهای خورشیدی نسل جدید را با سرمایه اولیه بسیار کمتر (در محدوده میلیون دلار) و در خطوط تولید با ظرفیت چند ده مگاوات به صورت اقتصادی تولید کرد. همچنین امکان ساخت این سلولهای شفاف روی زیرلایههای پلیمری منعطف کاربردهای جدیدی برای سلولهای خورشیدی بوجود آورده است که تا پیش از این کمتر قابل تصور بود (شکل ۱).
شکل 1- تهیه سلول خورشیدی پلیمری منعطف بهکمک چاپ پروسکایت بهروش رول به رول با همکاری دانشگاههای ملبورن و موناش و سازمان CSIRO.
امروزه در بین سلولهای خورشیدی نسلهای جدید سمتوسوی مطالعات آزمایشگاهی و صنعتی بیشتر به سوی سلولهای خورشید CIGS و پروسکایتی است. نمونهای از لایههای نازک بکار گرفته شده در سلول خورشیدی CIGS در شکل ۲ نمایش داده شده است. CIGS که ترکیبی از مسایندیومگالیومسلناید (CuInxGa(1-x)Se2) است، یک نیمههادی نوع p است که بهعنوان لایه جاذب نور بهصورت لایهاینازک در سلولهای خورشیدی بکار میرود. بازدهی این دسته از سلولها به بیشینه مقدار ۲۳ درصد رسیده است که قابل رقابت با سلولهای خورشیدی نسل اول است. همچنین به علت تحمل دمایی بالاتر نسبت به سلولهای سیلیکونی انطباق بیشتری با شرایط آبوهوایی کشور ما داشته و برخلاف سلولهای سیلیکونی که تنها در زیر تابش خورشید کارایی دارند، میتوانند در سایه و هوای ابری نیز مورد استفاده قرار گیرند. از اینرو انتظار میرود که در آیندهای نه چندان دور شاهد افزایش تعداد سلولهای CIGS در محیط پیرامون خود باشیم:
شکل ۲- شماتیکی از لایههای نازک سلول خورشیدی CIGS.
از دیگر انواع سلول خورشیدی که امروزه بهعنوان موضوع لبهعلمی در حوزه انرژی تجدیدپذیر شناخته میشود، سلولهای خورشیدی پروسکایتی هستند. این دسته از سلولهای خورشیدی نوظهور نرخ رشد بازده بیشتری نسبت به بقیه انواع داشتهاند بطوریکه طبق گزارش رسمی NREL، بازده آنها از ۸.۳ درصد در سال ۲۰۰۹ به بازده تایید شده ۲۳.۷ درصد در سال ۲۰۱۸ رسیده است که بسیار نزدیک به بازده سلولهای خورشیدی سیلیکونی و CIGS میباشد. با در نظر گرفتن امیدهای زیادی که برای تولید آسان و کمهزینه این سلولها وجود دارد، کاندیدای بسیار مناسبی برای تولید انرژی ارزانقیمت از نور خورشید میباشند. در شکل ۳ شماتیکی از لایههای نازک سلول خورشیدی پروسکایتی استاندارد نمایش داده شده است.
شکل ۳- طرحی از لایههای نازک سلول خورشیدی پروسکایتی استاندارد.
۱-۲- پوششهای آنتیاستاتیک و آبگریز
عمده کاربرد فناوری نانو در سلولهای خورشیدی سیلیکونی تجاری موجود در بازار مربوط به پوششهای لایهنازک آنتیاستاتیک و آبگریز است. در شرایط کاری به علل مختلف مانند گردوغبار، باران، مدفوعپرندگان و ترکیباتشیمیایی موجود در هوا آلودگیهایی روی سطح سلولهایخورشیدی ایجاد میشود که مانع از رسیدن کامل نور خورشید به لایهجاذب آن میگردد. تنها ۴ گرم خاک در هر یک مترمربع سلولخورشیدی میتواند بازدهی آن را در تبدیل انرژی نورانی به الکتریکی تا ۴۰ درصد کاهش دهد. به همین علت بسیاری از شرکتهای تولیدی به سوی ایجاد لایههای نازک با ضخامت کمتر از ۱۰۰ نانومتر روی سطح خارجی سلول رفتهاند. این لایههای ارزانقیمت عملکرد سلولهای خورشیدی در جذب نور را افزایش داده و قابلیت زودتمیزشوندگی و آسانتمیزشوندگی به آنها میدهند و به این ترتیب هزینههای نگهداری آنها را کاهش میدهند. پلیوینیلیدنفلورید (PVDF)، ارگانوسیلانها و نیمههادیهایی چون دیاکسیدتیتانیم بیشترین کاربرد را در این زمینه دارند.
۳-۱- پوششهای ضد بازتاب
یکی از چالشهای مهم در مسیر دستیابی به سلولهای خورشیدی با بازدهی بالا ضریب بازتاب زیاد مواد سازنده آنها میباشد که باعث اتلاف بخشی از توان ورودی میگردد. این مشکل در سلولهای سیلیکونی و CIGS خود را به خوبی نشان میدهد. برای رفع این مشکل از لایههای نازک ضد بازتاب (ARC) استفاده میگردد. منیزیمفلورید (MgF2) بصورت لایهنازکی با ضخامت ۷۰ تا ۱۲۰ نانومتر و با استفاده از روشهای تبخیری روی سطح بالایی سلولهای خورشیدی قرار میگیرد که با کاهش میزان بازتاب نور، بازدهی آن را در تبدیل انرژی نورانی به الکتریکی بهبود میدهد. از دیگر مواد مورد استفاده در این حوزه میتوان به دیاکسید تیتانیم، سولفید روی و نیترید سیلیکون اشاره کرد.
۲- کلکتورهای خورشیدی
کلکتور گرمایی خورشیدی وسیلهای است که انرژی نورانی خورشید را به صورت انرژی گرمایی ذخیره میکند. کلکتورهای گرمایی خورشیدی به دو دسته تقسیم میشوند. دسته اول کلکتورهایی هستند که از انرژی گرمایی حاصل از آنها به صورت مستقیم برای تهیه آب گرم یا گرمایش در سیستمهای تهویه مطبوع استفاده میشود و از میان آنها میتوان به کلکتورهای گرمایی خورشیدی لوله خلا، کلکتورهای گرمایی خورشیدی تخت، کلکتورهای گرمایی خورشیدی کروی، کلکتورهای گرمایی خورشیدی هوا، کلکتورهای گرمایی خورشیدی تراف و پنلهای ترمودینامیکی اشاره کرد. دسته دوم کلکتورهای گرمایی خورشیدی هستند که در آنها انرژی گرمایی جمع آوری شده تبدیل به انرژی الکتریکی شده و سپس مورد استفاده قرار میگیرد. تراف سهموی، دیشهای سهموی، سیستمهای برج و هلیوستات در این دسته قرار دارند.
اگرچه امروزه بیشتر انواع کلکتورهای گرمایی خورشیدی به مرحله تجاریسازی رسیدهاند، اما تحقیقات برای بهبود عملکرد این کلکتورها ادامه دارد. همانند بسیاری از حوزههای صنعتی دیگر، فناوری نانو فرصتهای نوینی را جهت بهبود عملکرد این کلکتورها فراهم آورده است که در ادامه برخی از آنها معرفی میشوند.
۱-۲- استفاده از نانوسیالها به منظور بهبود انتقال حرارت
نانوسیالها سوسپانسیونهای کلوئیدی هستند که با اضافه کردن ذراتی با ابعاد نانو به محیطهای آبی یا آلی (مانند اتیلنگلیکول) تهیه میشوند. نانوسیالها پتانسیلهای بالایی در محیطها و شرایط متفاوت دارند که باعث اهمیت روزافزون آنها در صنایع گوناگون شده است. یکی از متداولترین کاربردهای نانوسیالها در زمینه انتقال حرارت است، و از آن جمله میتوان به استفاده از آنها در کلکتورهای گرمایی خورشیدی به منظور انتقال حرارت نام برد. نانوسیالهای حاوی نانوذرات اکسید آلومینیوم، آلومینیم پایدار شده با پوشش محافظ، اکسید مس، مس، طلا، نقره، نانولولههای کربنی، الماس، گرافن و دیاکسید تیتانیم از رایجترین نانوسیالهایی هستند که میتوانند به منظور بهبود انتقال حرارت و عملکرد جایگزین آب یا سایر سیالهای مورد استفاده در کلکتورهای گرمایی خورشیدی شوند.
۲-۲- استفاده از مواد تغییرفازدهنده به منظور ذخیرهسازی انرژی حرارتی
یکی از چالشهای کلکتورهای گرمایی خورشیدی، مهار و ذخیرهسازی انرژی حرارتی به منظور استفاده تدریجی از آن است.
یکی از روشهای ذخیرهسازی انرژی گرمایی، ذخیره گرمای نهان است که میتواند بر پایه مواد تغییرفازدهنده باشد. مواد تغییرفازدهنده به تنهایی خواص فیزیکی و حرارتی ضعیفی دارند، مانند ظرفیت گرمایی ویژه و رسانایی حرارتی کم، اما با افزودن نانوموادی مانند نانوالیاف کربنی، که دارای رسانندگی بالا در راستای طولی خود هستند به آنهای میتوان خواص آنها را بهبود بخشید. همچنین نانوگرافیتها به علت داشتن حفرههای نانومتری میتوانند به عنوان محیطی برای اعمال مواد تغییرفازدهنده مورد استفاده قرار گیرند. از آنجایی که برخی مواد تغییرفازدهنده اشتعالپذیر هستند، میتوان با افزودن اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزی نانومتری مانند هیدروکسیدمنیزیم و تریهیدراتآلومینیوم مانع از اشتعال آنها شد.
۳-۲- استفاده از نانوپوششها برای افزایش جذب و کاهش بازتاب از سطح کلکتورها
یکی از مهمترین راهکارها برای بهبود عملکرد کلکتورهای گرمایی خورشیدی، افزایش جذب این کلکتورهاست. بدین منظور میتوان از پوششهای انتخابی طیفی چندلایه مانند نانوپوششهای پلاتین و آلومینا برای جذب انتخابی استفاده کرد. بهعنوان مثال با ایجاد لایههای نازک اکسید سیلیسیم، تیتانیم، اکسید سیلیسیم و آلومینیم با میتواند قابلیت جذب کلکتور را افزایش داد.
نمونهای از کلکتورهای خورشیدی گرمایی تراف سهموی
نمونهای از نیروگاه خورشیدی گرمایی هلیوستات.