در سال 1839، دانشمند آلمانی گوستاو رز به جستجوی کوه های اورال رفت و یک ماده معدنی تیره و براق را کشف کرد. او نام تیتانات کلسیم را به افتخار لو پروسکی، کانی شناس روسی، «پروسکیت» نامید. این ماده معدنی یکی از بسیاری از مواردی بود که رز برای علم شناسایی کرد، اما تقریباً دو قرن بعد، موادی که ساختار کریستالی پروسکایت را به اشتراک می‌گذارند، می‌توانند انرژی پایدار و رقابت با تغییرات آب و هوایی را با افزایش قابل توجه کارایی صفحات خورشیدی تجاری متحول کنند.

پنل های خورشیدی تقریباً 5 درصد از تولید انرژی ایالات متحده را در سال گذشته به خود اختصاص دادند که تقریباً 11 برابر نسبت به 10 سال قبل افزایش یافته و برای تأمین انرژی حدود 25 میلیون خانوار کافی است. این سریع‌ترین منبع انرژی جدید است که 50 درصد از کل تولید برق جدید اضافه شده در سال 2022 را تشکیل می‌دهد. فناوری که از زمان کشف سلول های سیلیکونی در دهه 1950 تغییر چندانی نکرده است.

سایر مواد مورد استفاده، مانند آرسنید گالیم، مس ایندیم گالیم سلنید و تلورید کادمیوم – که مورد آخر کلیدی برای بزرگترین شرکت خورشیدی ایالات متحده است. اولین خورشیدیرشد – می تواند بسیار گران یا سمی باشد. حامیان سلول های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت می گویند که می توانند حداقل از دو طریق از سیلیکون بهتر عمل کنند و تلاش ها در مسابقه مبارزه با تغییرات آب و هوایی را تسریع بخشند. همین هفته، First Solar از خرید شرکت اروپایی فناوری پروسکایت Evolar خبر داد.

محدودیت های سیلیکونی سلول های خورشیدی

سلول های فتوولتائیک فوتون های نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کنند. اما همه فوتون ها یکسان نیستند. آنها مقادیر متفاوتی انرژی دارند و با طول موج های مختلف در طیف خورشیدی مطابقت دارند. سلول های ساخته شده از پروسکایت که به مواد مختلف با ساختارهای کریستالی شبیه به مواد معدنی اشاره دارد، ضریب جذب بالاتری دارند، به این معنی که می توانند طیف وسیع تری از انرژی فوتون را در طیف نور خورشید جذب کنند تا انرژی بیشتری را تحویل دهند. در حالی که سلول‌های سیلیکونی تجاری استاندارد حدود 21 درصد بازدهی دارند، سلول‌های پروسکایت آزمایشگاهی تا 25.7 درصد برای آنهایی که به تنهایی مبتنی بر پروسکایت هستند، و تا 31.25 درصد برای آنهایی که با سیلیکون در یک سلول به اصطلاح پشت سر هم ترکیب می‌شوند، راندمان دارند. در همین حال، حتی با افزایش راندمان سیلیکون، سلول‌های تک اتصالی با حداکثر بازده نظری مانع 29% مواجه هستند که به عنوان حد شاکلی-کویسر شناخته می‌شود. حد عملی آنها به 24 درصد می رسد.

علاوه بر این، سلول‌های پروسکایت می‌توانند پایدارتر از سیلیکون تولید شوند. گرمای شدید و مقادیر زیادی انرژی برای حذف ناخالصی ها از سیلیکون مورد نیاز است و این امر باعث انتشار کربن زیادی می شود. همچنین برای کار کردن باید نسبتاً ضخیم باشد. سلول های پروسکایت بسیار نازک هستند – کمتر از 1 میکرومتر – و می توان آنها را رنگ کرد یا روی سطوح اسپری کرد و تولید آنها را نسبتاً ارزان می کند. تجزیه و تحلیل دانشگاه استنفورد در سال 2020 از روش تولید آزمایشی تخمین زد که ماژول های پروسکایت تنها با قیمت 25 سنت در هر فوت مربع ساخته می شوند، در حالی که معادل سیلیکون حدود 2.50 دلار است.

Tsutomu Miyasaka، استاد مهندسی دانشگاه توین یوکوهاما، که از ایجاد اولین سلول خورشیدی پروسکایت در سال 2009 خبر داد، می گوید: “صنایع قبل از سال 2025 خطوط تولید را در کارخانه ها برای تجاری سازی سلول های خورشیدی خود راه اندازی خواهند کرد.” پانل‌ها و همچنین دستگاه‌های قدرت اینترنت اشیاء داخلی، که بازار بزرگی برای دستگاه‌های فتوولتائیک پروسکایت خواهد بود، زیرا می‌توانند حتی در زیر نور ضعیف نیز کار کنند.”

پشتیبانی از فناوری آب و هوای نسل بعدی

شرکت ها در سراسر جهان شروع به تجاری سازی پانل های پروسکایت کرده اند. CubicPV، مستقر در ماساچوست و تگزاس، از سال 2019 در حال توسعه ماژول های پشت سر هم بوده است و حامیان آن عبارتند از Breakthrough Energy Ventures بیل گیتس. این شرکت می گوید که ماژول های آن از یک لایه سیلیکونی پایین و یک لایه پروسکایت بالا تشکیل شده اند و کارایی آنها به 30 درصد می رسد. به گفته مدیرعامل فرانک ون میرلو، مزیت آنها شیمی پروسکایت این شرکت و روش ساخت کم هزینه آن برای لایه سیلیکونی است که رویکرد پشت سر هم را اقتصادی می کند.

ماه گذشته، وزارت انرژی اعلام کرد که CubicPV شرکت کننده اصلی صنعت در مرکز تحقیقاتی جدید موسسه فناوری ماساچوست خواهد بود که از اتوماسیون و هوش مصنوعی برای بهینه سازی تولید پانل های پشت سر هم استفاده می کند. در همین حال، CubicPV قرار است در مورد مکان یک کارخانه جدید ویفر سیلیکونی 10 گیگاواتی در ایالات متحده تصمیم بگیرد، اقدامی که به گفته این شرکت توسعه پشت سر هم را سرعت می بخشد.

ون میرلو می‌گوید: «Tandem نیروی بیشتری از خورشید استخراج می‌کند و هر تأسیسات خورشیدی را قدرتمندتر می‌کند و توانایی جهان برای مهار بدترین تأثیرات تغییرات آب و هوایی را تسریع می‌کند». “ما معتقدیم که در دهه آینده، کل صنعت به پشت سر هم تغییر خواهد کرد.”

در اروپا، Oxford PV نیز در حال برنامه ریزی برای شروع ساخت ماژول های پشت سر هم است. برگرفته از دانشگاه آکسفورد، ادعا می کند که بازدهی 28 درصدی برای پشت سر هم دارد و می گوید که در حال توسعه یک سلول چند لایه با بازده 37 درصد است. این شرکت در حال ساخت یک کارخانه سلول های خورشیدی در براندنبورگ آلمان است، اما به دلیل همه گیری ویروس کرونا و مشکلات زنجیره تامین این کار به تعویق افتاده است. با این حال، این استارت آپ که در سال 2010 تاسیس شد و توسط شرکت انرژی نروژی حمایت می شود Equinorگلدویند، سازنده توربین‌های بادی چینی و بانک سرمایه‌گذاری اروپا، امیدوار است بتواند محموله‌های خود را در سال جاری آغاز کند و در انتظار صدور گواهینامه نظارتی است. قیمت این فناوری در ابتدا بالاتر از سلول‌های سیلیکونی معمولی است، زیرا پشت سر هم چگالی انرژی بالاتری را ارائه می‌دهد، اما شرکت می‌گوید که این فناوری در طول عمر کامل استفاده مطلوب است.

بسیاری از نوآوران خورشیدی در طول سال‌ها تلاش کرده‌اند سهم بازار چین و پانل‌های سیلیکونی معمولی را بشکنند، مانند سولیندرا که اکنون ورشکسته شده است، که از مس ایندیم گالیوم سلنید استفاده می‌کرد. رویکرد لایه نازک تلورید کادمیوم First Solar به دلیل تعادل بین هزینه کم نسبت به سیلیکون کریستالی و کارایی، از یک دهه تکان خورشیدی جان سالم به در برد. اما اکنون سلول های پشت سر هم را به عنوان کلیدی برای آینده صنعت خورشیدی نیز می بیند.

کریس کیس، مدیر ارشد فناوری Oxford PV می‌گوید: پروسکایت یک ماده مخرب بدون ایجاد اختلال در مدل کسب‌وکار است – ظرفیت تثبیت‌شده برای تولید بر اساس سیلیکون. محصول ما در تولید انرژی کم‌هزینه بهتر از هر فناوری خورشیدی رقیب خواهد بود.»

Caelux، یک مؤسسه فناوری کالیفرنیا، بر تجاری سازی سلول های پشت سر هم تمرکز دارد. Caelux با حمایت VC Vinod Khosla و شرکت انرژی، مخابرات و خرده‌فروشی هند، Reliance Industries، می‌خواهد با شرکت‌های تولید ماژول‌های سیلیکونی با افزودن یک لایه شیشه پروسکایت به ماژول‌های معمولی کار کند تا کارایی را تا 30 درصد یا بیشتر افزایش دهد.

سوالاتی در مورد عملکرد خارج از آزمایشگاه

پروسکایت ها قبل از اینکه در بازار تاثیر بگذارند، از نظر هزینه، دوام و اثرات زیست محیطی با چالش هایی روبرو هستند. یکی از بهترین نسخه ها پروسکایت هالید سرب است، اما محققان در تلاشند تا ترکیبات دیگری را برای جلوگیری از سمیت سرب فرموله کنند.

مارتین گرین، محقق سلول های خورشیدی در دانشگاه نیو ساوت ولز در استرالیا، معتقد است سلول های پشت سر هم مبتنی بر سیلیکون گام بزرگ بعدی در فناوری خورشیدی خواهند بود. اما او هشدار می دهد که آنها به اندازه کافی در خارج از آزمایشگاه کار نمی کنند. مواد پروسکایت زمانی که در معرض رطوبت قرار می‌گیرند می‌توانند تخریب شوند، مشکلی که محققان ادعا کرده‌اند تا حدودی در مورد آن موفق عمل کرده‌اند.

گرین، سرپرست مرکز استرالیایی فتوولتائیک پیشرفته، می‌گوید: «سؤال بزرگ این است که آیا سلول‌های پشت سر هم پروسکیت/سیلیکون هرگز پایداری لازم برای دوام تجاری را خواهند داشت؟» اگرچه از زمان گزارش اولین سلول‌های پروسکایت پیشرفت‌هایی حاصل شده است، اما تنها داده‌های میدانی منتشر شده برای چنین سلول‌های پشت سر هم با کارایی رقابتی نشان می‌دهد که این سلول‌ها تنها چند ماه در خارج از منزل زنده می‌مانند، حتی اگر به دقت محصور شوند.

در یک آزمایش میدانی اخیر، سلول های پشت سر هم برای بیش از یک سال در عربستان سعودی آزمایش شدند و مشخص شد که بیش از 80 درصد از بازده تبدیل اولیه 21.6 درصد را حفظ می کنند. به نوبه خود، آکسفورد PV می گوید که سلول های خورشیدی آن به گونه ای طراحی شده اند که در صورت مونتاژ در ماژول های فتوولتائیک استاندارد، طول عمر استاندارد 25 تا 30 ساله را برآورده کنند. این شرکت می‌گوید که ماژول‌های پشت سر هم نمایشی آن تست‌های استرس شتاب‌دهی صنعت کلیدی را برای پیش‌بینی طول عمر ماژول‌های خورشیدی گذراندند.

آزمایش‌های پروسکایت روی ساختمان ژاپن

در ژاپن، زمین های بزرگ و مسطح که می توانند میزبان پروژه های بزرگ خورشیدی باشند، به دلیل کوهستانی مجمع الجزایر، به سختی قابل دسترسی هستند. این یکی از دلایلی است که شرکت ها در حال توسعه پانل های نازک و همه کاره پروسکایت برای استفاده در دیوارها و سایر قسمت های ساختمان هستند. در اوایل سال جاری، Sekisui Chemical و NTT Data سلول‌های پروسکایت را در نمای بیرونی ساختمان‌ها در توکیو و اوزاکا نصب کردند تا عملکرد آنها را در طول یک سال آزمایش کنند. در همین حال، پاناسونیک، سازنده لوازم الکترونیکی، یک چاپگر جوهرافشان ایجاد کرد که می‌تواند سلول‌های پروسکایت لایه نازک را در اندازه‌ها، شکل‌ها و تیرگی‌های مختلف تولید کند، به این معنی که می‌توان از آن‌ها در شیشه‌های معمولی نصب شده روی پنجره‌ها، دیوارها، بالکن‌ها و سطوح دیگر استفاده کرد.

یوکیهیرو کانکو، مدیر کل مرکز فناوری مواد کاربردی پاناسونیک می گوید: تولید و مصرف برق در محل برای جامعه بسیار مفید خواهد بود. برای اینکه ژاپن به هدف کربن زدایی خود دست یابد، باید سالانه 1300 پروژه بزرگ خورشیدی به اندازه پارک توپ بسازید.

طبق رتبه بندی آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر ایالات متحده، سلول 30 سانتی متر مربعی پاناسونیک که فقط از پروسکایت ساخته شده است، در نمایشگاه CES 2023 به نمایش گذاشته شده است، بازدهی 17.9 درصدی، بالاترین در جهان است. تولیدکننده می‌خواهد از مقرراتی مانند الزام اخیراً اعلام‌شده مبنی بر داشتن پنل‌های خورشیدی در تمام پروژه‌های مسکن جدید در توکیو که از سال 2025 شروع می‌شود، تقویت شود. پاناسونیک می‌گوید قصد دارد سلول‌های پروسکایت خود را در پنج سال آینده تجاری کند.

مخترع سلول های پروسکایت، میاساکا معتقد است که تولید برق مبتنی بر پروسکایت بیش از نیمی از بازار سلول های خورشیدی را در سال 2030 به خود اختصاص خواهد داد، نه با جایگزینی سیلیکون، بلکه از طریق کاربردهای جدید مانند ساخت دیوارها و پنجره ها.

میاساکا گفت: «پیشرفت سریع در راندمان تبدیل نیرو یک نتیجه شگفت‌انگیز و واقعاً غیرمنتظره برای من بود. به طور خلاصه، این کمک بزرگی به تحقق یک جامعه پایدار خودکفا خواهد بود.»