پژوهشگران دانشگاه نانجینگ چین موفق به ساخت سلول خورشیدی تاندِم پروسکایت–سیلیکون با راندمان تبدیل انرژی ۳۳٫۳ درصد شده‌اند؛ دستاوردی که در آزمایشگاه مستقل، راندمان ۳۳ درصد آن تأیید شده است. نکته مهم این پژوهش، توسعه ماده‌ای جدید است که می‌تواند ساخت سلول‌های خورشیدی پربازده را در شرایط محیطی معمول آسان‌تر کند و مسیر تولید صنعتی آن‌ها را هموارتر سازد.
تاریخ انتشار خبر: ۳۰ شهریور ۱۴۰۵ (۲۱ سپتامبر ۲۰۲۶)
سلول خورشیدی تاندِم چیست و چرا اهمیت دارد؟
یکی از چالش‌های اصلی صنعت انرژی خورشیدی، افزایش مقدار الکتریسیته تولیدشده از سطح مشخصی از پنل است. هرچه راندمان سلول خورشیدی بالاتر باشد، می‌توان از سطح موجود برای تولید برق بیشتری استفاده کرد؛ موضوعی که در ساختمان‌ها، پشت‌بام‌های محدود و پروژه‌هایی که فضای نصب در آن‌ها اهمیت زیادی دارد، کاربرد قابل‌توجهی دارد.
بیشتر پنل‌های خورشیدی متداول امروزی بر پایه سیلیکون ساخته می‌شوند. این فناوری در سال‌های گذشته پیشرفت چشمگیری داشته، اما محدودیت‌های فیزیکی در تبدیل نور به برق، پژوهشگران را به سمت استفاده از ساختارهای جدید سوق داده است.
یکی از راهکارهای امیدوارکننده، فناوری «سلول خورشیدی تاندِم» (Tandem Solar Cell) است. در این ساختار، دو لایه از مواد نیمه‌رسانا با ویژگی‌های نوری متفاوت روی یکدیگر قرار می‌گیرند تا بخش بیشتری از طیف نور خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل شود.
در ساختار پروسکایت–سیلیکون، لایه بالایی پروسکایت بخشی از نور، به‌ویژه فوتون‌های پرانرژی‌تر، را جذب می‌کند و لایه سیلیکونی زیرین می‌تواند بخش دیگری از نور را دریافت کند. به این ترتیب، استفاده از دو ماده با قابلیت‌های مکمل، امکان افزایش راندمان نسبت به سلول‌های تک‌پیوندی متداول را فراهم می‌کند.
دستاورد جدید پژوهشگران چینی چیست؟
در پژوهشی که در مجله علمی Nature Sustainability در ۱۳ اوت ۲۰۲۶ منتشر شد، گروهی از پژوهشگران دانشگاه نانجینگ چین و همکاران آن‌ها، روشی برای ساخت سلول‌های خورشیدی پروسکایت و سلول‌های تاندِم پروسکایت–سیلیکون ارائه کردند.
بر اساس نتایج منتشرشده، بهترین نمونه سلول تاندِم ساخته‌شده به راندمان ۳۳٫۳ درصد دست یافته است. راندمان این سلول توسط یک آزمایشگاه مستقل نیز بررسی و مقدار ۳۳ درصد برای آن تأیید شده است.
نکته مهم این است که پژوهش فقط بر دستیابی به یک عدد بالاتر از راندمان متمرکز نبوده است. محققان تلاش کرده‌اند یکی از موانع مهم تولید صنعتی این فناوری، یعنی ساخت لایه‌های یکنواخت و باکیفیت در شرایط محیطی معمول را نیز برطرف کنند.
نقش ماده جدید PNCC در افزایش راندمان
یکی از بخش‌های کلیدی این پژوهش، توسعه ماده پلیمری جدیدی با نام PNCC است. این ماده به‌عنوان لایه انتقال‌دهنده حفره (Hole Transport Layer یا HTL) در ساختار سلول خورشیدی استفاده می‌شود.
برای درک ساده وظیفه این لایه، باید بدانیم که جذب نور در سلول خورشیدی باعث ایجاد حامل‌های بار الکتریکی می‌شود. این حامل‌ها باید به شکل مؤثری از بخش‌های مختلف سلول عبور کنند تا جریان الکتریکی تولید شود. لایه‌های انتقال بار به هدایت مناسب این حامل‌ها و کاهش اتلاف انرژی کمک می‌کنند.
در سلول‌های پروسکایت، کیفیت سطح مشترک میان لایه‌ها اهمیت زیادی دارد. اگر پوشش‌دهی یکنواخت نباشد یا حفره‌ها و نقص‌های زیادی در سطح مشترک ایجاد شود، بخشی از انرژی جذب‌شده به‌جای تبدیل‌شدن به برق از دست می‌رود.
ماده PNCC با ترکیب دو گروه شیمیایی طراحی شده تا چند ویژگی مهم را به‌طور هم‌زمان فراهم کند: انتقال مؤثر بار الکتریکی، چسبندگی مناسب به زیرلایه و ایجاد سطحی یکنواخت برای تشکیل لایه پروسکایت.
پژوهشگران گزارش کرده‌اند که استفاده از این ماده باعث بهبود یکنواختی سطح مشترک و کاهش نقص‌های ساختاری شده است. این ویژگی به ساخت سلول‌هایی با عملکرد بهتر کمک می‌کند.
چرا ساخت سلول در شرایط محیطی معمول مهم است؟
یکی از موانع توسعه صنعتی سلول‌های پروسکایت، حساسیت برخی مراحل تولید به رطوبت و اکسیژن است. به همین دلیل، ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی در بسیاری از فرایندها به محیط‌های کنترل‌شده و تجهیزات ویژه نیاز دارد.
چنین شرایطی در مقیاس صنعتی می‌تواند هزینه تولید، پیچیدگی تجهیزات و دشواری افزایش ظرفیت کارخانه را بیشتر کند.
در پژوهش جدید، محققان از روش پوشش‌دهی تیغه‌ای (Blade Coating) برای ساخت لایه‌های پروسکایت و انتقال بار در شرایط محیطی معمول استفاده کردند. این روش امکان پخش کنترل‌شده مواد روی سطح را فراهم می‌کند و از روش‌هایی است که ظرفیت بررسی و توسعه برای تولید در سطوح بزرگ‌تر را دارد.
پژوهشگران با استفاده از PNCC توانستند لایه‌های یکنواخت‌تری ایجاد کنند و این رویکرد را در سلول‌های تاندِم پروسکایت–سیلیکون نیز به کار ببرند.
البته ساخت موفق یک نمونه آزمایشگاهی در شرایط محیطی، به معنای آماده‌بودن کامل فناوری برای تولید انبوه نیست. برای تجاری‌سازی گسترده، عواملی مانند سرعت تولید، هزینه مواد، تکرارپذیری فرایند، کیفیت ماژول و دوام بلندمدت باید در مقیاس صنعتی بررسی شوند.
نتایج آزمایش‌ها چه چیزی را نشان می‌دهند؟
این پژوهش علاوه بر راندمان بالای سلول تاندِم، نتایج امیدوارکننده‌ای درباره پایداری سلول‌های مبتنی بر پروسکایت ارائه کرده است.
در یکی از آزمایش‌ها، سلول پروسکایت تک‌پیوندی مبتنی بر PNCC پس از ۱۲۰۰ ساعت قرارگرفتن مداوم در معرض نور در هوا و دمای حدود ۴۰ درجه سانتی‌گراد، ۹۹٫۸ درصد از راندمان اولیه خود را حفظ کرد.
در بخش مربوط به سلول تاندِم پروسکایت–سیلیکون نیز نمونه کپسوله‌شده پس از ۱۱۴۰ ساعت تابش معادل یک خورشید در دمای ۶۵ درجه سانتی‌گراد، ۸۵ درصد از راندمان اولیه خود را حفظ کرد.
این نتایج نشان می‌دهند که انتخاب مواد و بهبود ساختار لایه‌ها می‌تواند به افزایش پایداری کمک کند. با این حال، شرایط آزمایشگاهی با سال‌ها کارکرد واقعی یک پنل در فضای باز یکسان نیست و برای ارزیابی طول عمر تجاری، آزمایش‌های طولانی‌مدت و استانداردهای مربوط به ماژول‌های کامل ضروری‌اند.
آیا پنل‌های خورشیدی با راندمان ۳۳ درصد به‌زودی وارد بازار می‌شوند؟
در اینجا باید میان «سلول خورشیدی» و «پنل خورشیدی» تفاوت قائل شد.
عدد ۳۳ درصد در این پژوهش، راندمان تأییدشده یک سلول تاندِم آزمایشگاهی است؛ نه راندمان یک پنل تجاری کامل که مصرف‌کننده بتواند در حال حاضر آن را مانند پنل‌های متداول خریداری کند.
ساخت یک پنل کامل به اتصال تعداد زیادی سلول، کپسوله‌سازی، لایه‌های محافظ، اتصالات الکتریکی و آزمون‌های کیفیت نیاز دارد. این مراحل می‌توانند بر راندمان نهایی ماژول اثر بگذارند.
از سوی دیگر، فناوری باید از نظر هزینه تولید، دوام در برابر گرما و رطوبت، پایداری خروجی و قابلیت تولید در مقیاس بزرگ نیز رقابتی باشد.
بنابراین، دستاورد اخیر را باید یک گام علمی مهم در مسیر توسعه سلول‌های خورشیدی پربازده دانست؛ نه نشانه‌ای از اینکه تمام پنل‌های موجود به‌زودی با این راندمان عرضه خواهند شد.
این پیشرفت چه تأثیری بر آینده انرژی خورشیدی دارد؟
اگر فناوری تاندِم پروسکایت–سیلیکون بتواند از مرحله آزمایشگاهی به تولید صنعتی پایدار و اقتصادی برسد، می‌تواند فرصت‌های تازه‌ای در صنعت انرژی خورشیدی ایجاد کند.
از جمله کاربردهای بالقوه آن می‌توان به افزایش ظرفیت تولید برق در سطح نصب محدود، توسعه سامانه‌های خورشیدی ساختمان‌ها، استفاده بهینه‌تر از فضای پشت‌بام و بهبود توجیه اقتصادی برخی پروژه‌های فتوولتائیک اشاره کرد.
بااین‌حال، سود اقتصادی یک سامانه خورشیدی تنها به راندمان سلول وابسته نیست. قیمت تجهیزات، شرایط تابش، دمای محیط، سایه‌اندازی، کیفیت نصب، عملکرد اینورتر و هزینه نگهداری نیز در میزان برق تولیدی و بازگشت سرمایه نقش دارند.
برای همین، آشنایی با فناوری‌های جدید زمانی بیشترین ارزش را دارد که در کنار دانش عملی طراحی، نصب، راه‌اندازی و ارزیابی سیستم‌های فتوولتائیک قرار بگیرد.
جمع‌بندی
پژوهش جدید دانشگاه نانجینگ و همکاران آن، نمونه‌ای از تلاش صنعت و دانشگاه برای عبور از محدودیت‌های سلول‌های خورشیدی متداول است. دستیابی به راندمان تأییدشده ۳۳ درصد در سلول تاندِم پروسکایت–سیلیکون، در کنار توسعه لایه پلیمری PNCC و ساخت در شرایط محیطی معمول، دو جنبه مهم این دستاورد هستند.
چالش بعدی، تبدیل این نتایج به محصولاتی است که علاوه بر راندمان بالا، از نظر هزینه، دوام و تولید انبوه نیز قابل رقابت باشند.
با ادامه پیشرفت در مواد نیمه‌رسانا، روش‌های ساخت و فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی، صنعت فتوولتائیک می‌تواند در سال‌های آینده گزینه‌های متنوع‌تر و کارآمدتری برای تولید برق پاک ارائه دهد.
منابع علمی و خبری:
مقاله پژوهشی منتشرشده در Nature Sustainability: Scalable ambient fabrication of single-junction and perovskite–silicon tandem solar cells
گزارش خبری pv magazine: Chinese scientists build 33.3%-efficient perovskite-silicon tandem solar cell processed in ambient air