پنلهای خورشیدی مرسوم با چالشهای ساختاری قابلتوجهی روبرو هستند. این پنلها نه تنها حجیم و غیرمنعطف هستند بلکه بهدلیل کدر بودن کامل، کاربردهای شهری و مصرفی محدودی دارند. این ویژگیها باعث شده است که فناوری پنلهای فتوولتاییک خورشیدی اغلب به فضاهای باز مانند پشت بامها و مزارع خورشیدی محدود شود. اما امروزه ظهور نسل جدیدی از سلولهای فتوولتاییک خورشیدی شفاف میتواند این محدودیتها را از بین ببرد.
برخلاف نمونههای سنتی، پنلهای فتوولتاییک خورشیدی شفاف میتوانند بهراحتی با محیط اطراف از معماری منظر ترکیب شوند. برخی از این نوع پنلها تا 79 درصد شفافیت دارند و میانگین شفافیت آنها اغلب بالای 70 درصد است. این ویژگی باعث میشود که این پنلها، بهطورتقریبی نامرئی به نظر برسند، در حالیکه همچنان قابلیت تولید انرژی را حفظ میکنند.
پایه این تحول بزرگ در استفاده از مواد پیشرفتهای است که ضخامت آنها در حد چند اتم است. این مواد که به عنوان مواد دو بعدی (2D) شناخته میشوند، قابلیتهای منحصر به فردی دارند. گروه خاصی از این مواد به نام دیکالکوژنیدهای فلزهای واسطه (TMDs)، دارای ویژگیهای جذب نور عالی و شکاف انرژی قابل تنظیم هستند که امکان طراحی پنلهای شفاف و کارآمد را فراهم کرده است.
پژوهشگران برای ساخت این سلولهای فتوولتاییک خورشیدی پیشرفته، از ترکیب تنگستن دیسولفید (WS₂) با اکسید قلع ایندیم (ITO) استفاده کردهاند. ITO مادهای شفاف است که هماکنون در ساخت صفحههای نمایش و صفحههای لمسی کاربرد گستردهای دارد. این ترکیب، منجر به ایجاد لایهای نازک و انعطافپذیر شده است که میتواند نور محیط را بهطور موثر به انرژی الکتریکی تبدیل کند.
تیم پژوهشی دانشگاه توکوهو به سرپرستی پروفسور توشیاکی کاتو، با اعمال پوششهای خاصی از مس و اکسید تنگستن روی ITO، موفق به کاهش موانع اتصال (Schottky barrier) در آنها شدهاند. این پیشرفت مهندسی باعث شده است که بازده تبدیل انرژی در این نوع از سلولهای فتوولتاییک خورشیدی بسیار بهبود یابد.
توان خروجی آنها تا 13 میلیوات بر سانتیمتر مربع میرسد. حتی در نمونههای کوچک با ابعاد 1 سانتیمتر مربع، توان تولیدی 420 پیکووات اندازهگیری شده است، بدون آنکه تاثیر محسوسی بر شفافیت پنلها داشته باشد.
همچنین مسائل دیگری مانند دوام پنلها در شرایط محیطی مختلف و هزینه بالای مواد اولیه (بهویژه در مقایسه با سیلیکون مورداستفاده در پنلهای معمولی) از دیگر چالشهای پیشرو در این فناوری جدید هستند. پنجرههای مجهز به این فناوری میتوانند به منبعی برای تولید انرژی تبدیل شوند، بدون آنکه در ظاهر ساختمان تغییری ایجاد کنند یا از میزان نور طبیعی ورودی بکاهند. این ویژگی بهویژه برای ساختمانهای بلندمرتبه با سطح وسیع پنجرهها بسیار ارزشمند است.
در خودروهای برقی، این فناوری میتواند در شیشهها و بدنه خودرو نیز ادغام شود. این نوآوری میتواند به افزایش قابلتوجه برد حرکتی خودروها منجر شده و وابستگی خودروهای برقی به ایستگاههای شارژ را کاهش دهد. همچنین میتواند بهعنوان منبع تغذیه کمکی برای سامانههای مختلف خودرو عمل کند.
این فناوری کاربردهای گستردهای در حوزه پزشکی و دستگاههای پوشیدنی از تامین انرژی دستگاههای پزشکی قابل کاشت مانند ضربانسازها گرفته تا تجهیزات پوشیدنی مانند ساعتهای هوشمند و مانیتورهای سلامت دارد.
پژوهشی برای استفاده از این فناوری در سطح پوست انسان جهت تامین انرژی دستگاههای پزشکی در حال انجام است.
استفاده گسترده از این فناوری میتواند تاثیر قابلتوجهی بر کاهش مصرف سوختهای فسیلی نیز داشته باشد. از آنجا که این سامانهها در حین کار هیچگونه گاز گلخانهای تولید نمیکنند، با اهداف جهانی مبارزه با تغییر اقلیم همسو هستند. همچنین، این فناوری میتواند با تبدیل سطوح بیاستفاده به منابع تولید انرژی، به توسعه اقتصاد چرخشی کمک شایانی کند.
پژوهشگران در حال کار روی روشهای مقرونبهصرفهتر تولید و مواد جایگزین برای آنها هستند. به گفته پروفسور کاتو، “این فناوری پتانسیل آن را دارد که نهتنها زیرساختهای شهری، بلکه تمام جنبههای زندگی دیجیتال ما را متحول کند.” نتایج این پژوهش که در نشریه معتبر Scientific Reports منتشر شده است، نویدبخش آیندهای سبزتر و پایدارتر برای همه ماست.
تحلیل ما
پنلهای فتوولتاییک خورشیدی شفاف با قابلیت تبدیل پنجرهها و سطوح شیشهای به منبع تولید انرژی، معماری مدرن و صنعت حملونقل را متحول میکنند. این فناوری جدید به ساختمانها اجازه میدهد بدون تغییر ظاهر، به نیروگاههای عمودی تبدیل شوند و خودروهای الکتریکی را قادر میسازد با جذب انرژی از سطوح مختلف، برد حرکتی خود را افزایش دهند. این نوآوری به ویژه برای کلانشهرها که با محدودیت فضا و آلودگی هوا مواجهند، راهحلی کارآمد ارائه میدهد.
اگرچه هزینه تولید بالا و نگرانیها درباره دوام مواد، چالشهای اصلی این فناوری هستند، اما پتانسیل آن برای کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی و مبارزه با تغییر اقلیم انکارناپذیر است. کشورهای با تابش خورشیدی بالا مانند ایران میتوانند با بهرهگیری از این فناوری، گام بلندی در جهت توسعه پایدار بردارند. سرمایهگذاری در پژوهشهای بومی و همکاری با مراکز علمی بینالمللی میتواند موقعیت ایران را در این حوزه ارتقا دهد.
ایران با برخورداری از میانگین تابش خورشیدی بالا و معماری غنی، بستر ایدهآلی برای بهکارگیری این فناوری است. استفاده از پنلهای شفاف میتواند بدون تغییر در بافت شهری، بخشی از نیاز انرژی کشور را تامین کند و همزمان به کاهش آلودگی هوا کمک نماید.
نویسنده: سارا محمودیان-دانشجوی دکترای مهندسی انرژیهای تجدیدپذیر
