در دهه اخیر، تحولات چشمگیری در حوزه انرژی‌های نو به‌ویژه انرژی خورشیدی رخ داده است. رشد بازدهی، کاهش هزینه‌های تولید و توسعه نسل‌های جدید سلول‌های خورشیدی، آینده این فناوری را وارد مرحله‌ای تازه کرده است؛ مرحله‌ای که دیگر صرفاً متکی به سلول‌های سیلیکونی نیست، بلکه افق آن با موادی چون پروسکایت بازتعریف شده است. سلول‌های پروسکایتی به‌واسطه ساختار بلوری خاص، قابلیت مهندسی‌پذیری بالا و امکان تولید به روش‌های کم‌هزینه‌تر، توانسته‌اند توجه بسیاری از پژوهشگران و فعالان صنعت را در سطح جهانی به خود جلب کنند.
با این‌حال، گذار از مرحله پژوهش به توسعه صنعتی، همواره با چالش‌هایی همراه است. در مورد سلول‌های پروسکایتی، مسئله پایداری در برابر رطوبت، حرار، و اشعه فرابنفش، از اصلی‌ترین موانع برای تجاری‌سازی این فناوری به‌شمار می‌رود، همچنین جایگزینی فلزات گران‌قیمت مانند طلا و نقره با الکترودهای کربنی به‌ویژه در مسیر کاهش هزینه و بومی‌سازی خود نیازمند حل مسائل پیچیده‌ای در حوزه‌ی مواد، مهندسی لایه‌ها، یکنواختی پوشش‌ها و سازگاری در مقیاس صنعتی است.
در اقلیم نیمه‌خشک ایران نیز توسعه فناوری‌های خورشیدی نیازمند بومی‌سازی، طراحی اقلیم‌پذیر و توجه به زیرساخت‌های تولید داخلی است. به‌ویژه در بحث «فناوری‌های یکپارچه با معماری»(BIPV)، هم‌افزایی میان طراحی زیباشناسانه، عبورپذیری نور، استحکام سازه‌ای و دوام محیطی به ضرورتی جدی بدل شده است، همچنین مسئله بازیافت پنل‌های فرسوده و مدیریت چرخه عمر تجهیزات خورشیدی به‌ویژه در مورد نسل‌های غیرسیلیکونی نیازمند توجه فوری و تدوین مدل‌های مؤثر اقتصادی و زیست‌محیطی است.
در این زمینه، دانشگاه‌ها و مراکز پژوهشی می‌توانند با شناسایی گلوگاه‌های فنی، زمینه را برای عبور از آزمایشگاه به صنعت فراهم سازند. به همین منظور در گفت‌وگویی با رضا کشاورزی، عضو هیئت علمی گروه شیمی معدنی دانشگاه اصفهان، به بررسی دقیق‌تر این چالش‌ها و ظرفیت‌ها پرداختیم.
با توجه به بازدهی بالای سلول‌های پروسکایتی، یکی از چالش‌های جدی همچنان بحث پایداری در برابر عوامل محیطی مانند رطوبت، گرما و تابش فرابنفش است. شما چه راهکارهایی را در زمینه مهندسی لایه‌های حفاظتی یا اصلاح ساختار ماده برای افزایش پایداری بلندمدت این سلول‌ها بررسی کرده‌اید؟ و به‌نظر شما کدام روش بیشترین ظرفیت برای کاربرد صنعتی دارد؟
برای افزایش پایداری سلول‌های خورشیدی پروسکایتی در برابر عوامل ناپایدارکننده مانند رطوبت و دما، استراتژی‌های متعددی وجود دارد که استفاده از لایه‌های محافظتی یکی از آن‌هاست. در این زمینه، یکی از اقداماتی که انجام دادیم، بهره‌گیری از الکترودهای کربنی به جای الکترودهای فلزی است که مزایای فراوانی در افزایش پایداری سلول‌ها دارند.
اولین مزیت مهم الکترودهای کربنی، ماهیت آب‌گریز آن‌هاست که موجب افزایش پایداری در برابر رطوبت می‌شود. همچنین، این الکترودها به دلیل رسانایی گرمایی پایین‌تر نسبت به الکترودهای فلزی، توانایی بهتری در حفظ پایداری در مقابل تغییرات دما دارند. این ویژگی کاهش انتقال گرما خود به تنهایی تأثیر مثبتی در افزایش دوام سلول‌های پروسکایتی دارد.
ساختار کلی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به‌صورت ساندویچی است؛ به گونه‌ای که پروسکایت بین دو لایه الکترودی قرار می‌گیرد؛ از یک طرف الکترود پشتی که معمولاً کربن یا فلزاتی مانند طلا و نقره است و از طرف دیگر، لایه‌ای شیشه‌ای با پوشش رسانا. پروسکایت به این شکل میان این دو لایه ساندویچ می‌شود.
در بخش مقابل، برای الکترود پشتی از کربن استفاده می‌کنیم که نقش مهمی در افزایش پایداری ایفا می‌کند. در سمت دیگر، یعنی الکترود شیشه‌ای، می‌توان از انواع مختلف لایه‌های محافظتی بهره برد. در تحقیقات ما، از لایه‌های محافظ چندمنظوره استفاده شده است که علاوه بر محافظت در برابر رطوبت، توانایی جلوگیری از تخریب ناشی از اشعه ماوراء بنفش (UV) را نیز دارند. این لایه‌ها شامل اکسیدهای فلزی مانند زینک اکساید، تیتانیوم اکساید و سلنیوم اکساید هستند که به عنوان محافظ‌های موثر در برابر اشعه UV شناخته می‌شوند، همچنین لایه‌هایی با خاصیت آب‌گریزی سطحی نیز به‌کار گرفته شده‌اند که علاوه بر تأثیر در افزایش مقاومت در برابر رطوبت، مانع از کاهش نفوذ نور به داخل سلول می‌شوند. با این حال، باید توجه داشت که برخی از لایه‌های محافظ ممکن است باعث کاهش عبور نور به داخل سلول شوند که این امر منجر به کاهش کارایی سلول خواهد شد.
برای رفع این مشکل و جلوگیری از کاهش شدت نور ورودی، در لایه‌های محافظ از اکسید سلسیوم به‌عنوان لایه ضد بازتاب استفاده کردیم. این لایه باعث افزایش عبور نور و کاهش بازتابش آن می‌شود و بدین ترتیب کارایی سلول حفظ خواهد شد. در میان سایر لایه‌های مورد استفاده، لایه‌هایی از جنس آلومینیوم زینک اکساید نیز به کار گرفته شده‌اند که ضمن محافظت، پایداری سلول را بهبود می‌بخشند.
در هر حال، در طراحی لایه‌های محافظ، این نکته بسیار مهم است که ضریب شکست نوری آن‌ها پایین باشد تا عبور نور به داخل سلول افزایش یابد. ما لایه‌ها را به گونه‌ای طراحی می‌کنیم که ضریب شکست آن‌ها کاهش یابد، که این کار از طریق استفاده از خاصیت تخلخل در لایه ها یا به کمک روش‌هایی مانند استفاده از سیلیسیوم دی اکساید انجام می‌شود. کاهش ضریب شکست باعث می‌شود که انتقال نور به داخل سلول بهینه باقی بماند.
در مطالعات شما درباره سلول‌های پروسکایتی با الکترود کربنی، بحث کاهش هزینه تولید و حذف فلزات گران‌قیمت بسیار برجسته بوده است، اما از منظر عملیاتی، برای انتقال این نوع ساختارها از مقیاس آزمایشگاهی به خطوط نیمه‌صنعتی یا صنعتی چه موانعی را متصور هستید؟ به‌ویژه در زمینه یکنواختی لایه‌ها، تأمین مواد اولیه یا پایدارسازی فرایند چاپ.
درست است که ما از الکترودهای کربنی استفاده کرده‌ایم، اما این کار عمدتاً در مقیاس‌های آزمایشگاهی انجام شده است. در حال حاضر، در بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی دنیا که هدف آن‌ها تجاری‌سازی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی است، تلاش می‌شود تا الکترودهای کربنی جایگزین الکترودهای گران‌قیمتی مانند طلا و نقره شوند. با این حال، مسیر صنعتی‌سازی این نوع لایه‌ها با چالش‌های عمده‌ای همراه است. ما نیز در این زمینه تاکنون گام عملیاتی مشخصی برنداشته‌ایم، هرچند صنعتی‌سازی این لایه‌ها جزء اهداف ما بوده است.
برنامه داریم با تجهیزاتی که به‌زودی خریداری خواهد شد، به این سمت حرکت و این چالش‌ها را به‌صورت میدانی مورد بررسی قرار داده و برطرف کنیم تا گامی در مسیر تجاری‌سازی این فناوری برداشته شود. یکی از چالش‌های اصلی در این مسیر، مسئله یکنواختی لایه‌هاست. در مقیاس آزمایشگاهی، امکان پوشش‌دهی یکنواخت لایه‌ها وجود دارد، اما در مقیاس‌های بزرگ، این موضوع به یک چالش جدی تبدیل می‌شود و نیاز به دستگاه‌هایی با کیفیت و دقت بالا دارد که بتوانند لایه‌های مختلف را به‌طور یکنواخت تولید کنند.
در آزمایشگاه، از خمیرهای کربنی استفاده کرده‌ایم، اما تحقیقاتی نیز انجام داده‌ایم تا در مقیاس‌های بزرگ‌تر از جوهرهای کربنی استفاده شود. جوهرهای کربنی در فرایند چاپ، مزایایی نسبت به خمیرها دارند. به‌عنوان مثال، در ساختار لایه‌های کربنی، گرافیت یکی از اجزای اصلی است. در تحقیقاتی که انجام داده‌ایم، تبدیل خمیر به جوهر باعث می‌شود ذرات گرافیت تمایل بیشتری به قرارگیری افقی نسبت به لایه‌های زیری داشته باشند، که به آن تراز افقی یا Horizontal Alignment گفته می‌شود.
این تراز افقی دو مزیت مهم دارد؛ نخست اینکه مانع نفوذ عوامل مخربی مانند رطوبت و اکسیژن می‌شود و در نتیجه پایداری لایه را افزایش می‌دهد و دوم اینکه باعث بهبود رسانایی الکتریکی می‌شود، چرا که اتصال بهتری با لایه‌های زیری برقرار می‌کند، البته این موارد باید در مقیاس‌های بزرگ نیز مورد ارزیابی قرار گیرند تا مشخص شود تا چه اندازه قابل اجرا و عملیاتی هستند. در زمینه استفاده از جوهرهای کربنی در ابعاد یک سانتی‌متر مربع تحقیقات اولیه‌ای انجام داده‌ایم، اما برای تجاری‌سازی و استفاده در ماژول‌های بزرگ، لازم است این آزمایش‌ها در ابعاد وسیع‌تر تکرار و تحلیل شوند تا میزان عملیاتی بودن آن مشخص شود.
چالش دیگر، مسئله اتصال مناسب بین الکترود کربنی و لایه‌های زیرین مانند لایه انتقال‌دهنده بار و لایه پروسکایت است. الکترود کربنی باید با این لایه‌ها به‌خوبی مچ شود؛ در غیر این صورت، عملکرد سلول به‌طور چشمگیری کاهش خواهد یافت. باید توجه داشت که الکترودهای کربنی، چه در مقیاس آزمایشگاهی و چه در مقیاس صنعتی، در حال حاضر نسبت به الکترودهای فلزی عملکرد پایین‌تری دارند، اما تحقیقات زیادی در حال انجام است تا این مشکل برطرف شود.
یکی از عوامل مهمی که باعث کاهش بازدهی می‌شود، کیفیت پایین در اینترفیس‌ها یا نواحی بین لایه‌ای است. در صورتی که لایه کربنی به‌صورت یکدست و یکنواخت روی لایه زیرین قرار گیرد، اتصالات به‌خوبی برقرار شده و انتقال بار مؤثرتر انجام می‌شود.
خمیرهای کربنی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، از مجموعه‌ای از مواد اولیه کربنی نظیر گرافیت، کربن بلک، حلال‌ها و مواد اتصال‌دهنده تشکیل شده‌اند. این ترکیب، جوهر یا خمیر کربنی را به‌وجود می‌آورد که بر لایه‌های زیرین چاپ می‌شود. این فرایند نیز با چالش‌هایی همراه است، به‌ویژه آنکه هرچند کربن ماده‌ای در دسترس است و امکان تأمین برخی مواد اولیه آن در داخل کشور وجود دارد، اما برخی از ترکیبات مورد استفاده در این خمیرها وارداتی هستند. البته این ترکیبات خاص، بازدهی لایه‌های کربنی را به‌شدت افزایش می‌دهند. در حال حاضر، برای تولید داخلی مواد اولیه وارداتی، برنامه مشخصی نداشته‌ایم، اما اگر در آینده در تولید سلول‌ها و ماژول‌های خورشیدی با موفقیت روبه‌رو شویم، قطعاً به این موضوع نیز خواهیم پرداخت تا بتوانیم مواد اولیه مورد نیاز را در داخل کشور تأمین کنیم.
در حوزه BIPV و ادغام سلول‌های خورشیدی در نمای ساختمان، به‌ویژه در اقلیم‌های نیمه‌خشک ایران مانند اصفهان، چه ویژگی‌هایی را در طراحی این سلول‌ها باید لحاظ کرد؟ آیا از نظر فنی، نمونه‌هایی با عبورپذیری نور، پایداری مکانیکی و زیبایی‌شناسی متناسب با بازار ایران طراحی و آزمایش شده‌اند؟
در طراحی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی برای کاربرد در BIPV، به‌ویژه در اقلیم‌های نیمه‌خشک مانند اصفهان، باید ویژگی‌های کلیدی مانند عبورپذیری نور بالا، پایداری مکانیکی و مقاومت در برابر شرایط محیطی سخت مانند گرما و گردوغبار مد نظر قرار گیرد. مطالعات بین‌المللی نشان داده‌اند که استفاده از پوشش‌های محافظ شفاف و ساختارهای چندلایه می‌تواند هم‌زمان بازدهی و دوام سلول‌ها را افزایش دهد. علاوه بر این، زیبایی‌شناسی و تطابق رنگی با نمای ساختمان از اهمیت بالایی برخوردار است تا سلول‌ها به‌صورت یکپارچه و جذاب در نما جای بگیرند. نمونه‌هایی از این سلول‌ها در آزمایشگاه‌ها و پروژه‌های پایلوت در کشورهای مشابه طراحی شده و عملکرد مناسبی در شرایط اقلیمی مشابه ایران داشته‌اند. گفتنی است ما نیز در پروژه‌های تحقیقاتی خود بر روی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی رنگی کارهایی انجام داده‌ایم و نتایج موفقیت‌آمیزی نیز داشته‌ایم. در هر حال، توسعه نمونه‌های بومی با استفاده از مواد محلی و فناوری‌های سازگار با محیط زیست، مسیر مناسبی برای بازار ایران محسوب می‌شود. در نهایت، همکاری میان دانشگاه‌ها، صنعت و دولت برای تسریع فرایند تجاری‌سازی این فناوری‌ها حیاتی است.
با توجه به رشد چشمگیر استفاده از پنل‌های خورشیدی در کشور، بحث بازیافت و چرخه عمر تجهیزات فرسوده از جنبه زیست‌محیطی و اقتصادی در حال اهمیت یافتن است. شما چه مدل‌هایی برای مدیریت بازیافت سلول‌های خورشیدی به‌ویژه در مورد سلول‌های غیرسیلیکونی مانند پروسکایت مناسب‌تر می‌دانید؟ آیا تجربه یا نمونه‌ای از این فرایند در داخل کشور در دست اجراست؟
بازیافت سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به دلیل وجود مواد حساس و خطرناک مانند سرب، چالشی مهم در حوزه زیست‌محیطی و اقتصادی محسوب می‌شود. مدل‌های موفق بازیافت در سطح جهانی بر جداسازی مؤثر مواد، بازگردانی اجزای با ارزش و کاهش ضایعات متمرکز هستند. یکی از روش‌های مطرح، استفاده از فرایندهای شیمیایی و حرارتی کنترل‌شده برای بازیابی مواد فعال و کاهش آلودگی است. در ایران، با وجود رشد سریع استفاده از پنل‌های خورشیدی، هنوز زیرساخت‌های لازم برای بازیافت کامل و استاندارد این تجهیزات وجود ندارد، اما پژوهش‌های اولیه در حال انجام است. توسعه سیاست‌های حمایتی و ایجاد مراکز تخصصی بازیافت می‌تواند به بهبود چرخه عمر سلول‌های خورشیدی کمک کند، همچنین آموزش و فرهنگ‌سازی در زمینه اهمیت بازیافت از جمله اقدامات ضروری برای موفقیت این مدل‌ها است.
در پروژه‌های مقیاس‌بالا مانند احداث نیروگاه‌های خورشیدی در استان‌های مرکزی، چگونه می‌توان فناوری‌های نوینی مثل سلول‌های پروسکایتی، سامانه‌های BIPV یا ذخیره‌سازهای جدید را با سیاست‌گذاری‌های فعلی و ظرفیت‌های بومی هم‌راستا کرد؟ و از نظر شما چه ابزارهایی برای جلب اعتماد سرمایه‌گذاران خصوصی به این فناوری‌ها مؤثرتر خواهد بود؟
در پروژه‌های مقیاس‌بالا مانند نیروگاه‌های خورشیدی، ادغام فناوری‌های نوین مانند سلول‌های پروسکایتی، سامانه‌های BIPV و ذخیره‌سازهای پیشرفته نیازمند هماهنگی دقیق با سیاست‌های کلان انرژی و ظرفیت‌های بومی است. تدوین استانداردهای فنی و تضمین کیفیت محصولات، از جمله گام‌های ضروری برای پذیرش این فناوری‌ها توسط بازار است، همچنین ایجاد زیرساخت‌های تولید داخلی و حمایت‌های مالی دولت می‌تواند هزینه‌ها را کاهش داده و ریسک سرمایه‌گذاری را کاهش دهد. جلب اعتماد سرمایه‌گذاران خصوصی به وسیله ارائه داده‌های مستند عملکردی، تضمین بازدهی اقتصادی و پایداری فناوری و ایجاد مشوق‌های مالی مانند معافیت‌های مالیاتی و تسهیلات بانکی بسیار مؤثر است. علاوه بر این، همکاری بین بخش‌های دولتی، خصوصی و پژوهشی برای توسعه فناوری و تسریع تجاری‌سازی آن حیاتی است. در نهایت، اطلاع‌رسانی و آموزش در سطح جامعه و صنعت، نقش مهمی در پذیرش و موفقیت این فناوری‌ها ایفا می‌کند.
انتهای پیام
نظرات