با وجود تسلط سلول‌های سیلیکونی، محدودیت‌های ذاتی در بازدهی، نیاز به یک انقلاب فناورانه در فتوولتائیک را ضروری ساخته است. اکنون، این تحول با ظهور مواد نوینی مانند پروسکایت‌ها و معماری‌های پیشرفته‌ای چون سلول‌های چندپیوندی (Tandem) در حال وقوع است. این فناوری‌های نسل سوم، با وعده بازدهی بالاتر از ۳۰٪ و کاهش چشمگیر هزینه‌های تولید، آینده انرژی خورشیدی را بازنویسی می‌کنند.
انقلاب پروسکایت‌ها و سلول‌های چندپیوندی (Tandem): گذر از سیلیکون و آینده‌ی بازدهی بالا در فتوولتائیک
انرژی خورشیدی به عنوان یک ستون اصلی در گذار جهانی به سمت انرژیهای تجدیدپذیر شناخته می‌شود. با این حال، تسلط تقریباً مطلق سلول‌های خورشیدی سیلیکونی (نسل اول) که بیش از ۹۰ درصد بازار را در اختیار دارند، به دلیل محدودیت‌های نظری و عملی در بازدهی، نیاز به یک انقلاب فناورانه را برجسته ساخته است. امروزه، این انقلاب با ظهور مواد نوینی مانند پروسکایت‌ها و طراحی‌های پیشرفته‌ای مانند سلول‌های چندپیوندی (Tandem)، در حال شکل‌گیری است. این مقاله به بررسی عمیق این فناوری‌های نسل سوم می‌پردازد که نویدبخش بازدهی بالاتر و هزینه‌های تولید پایین‌تر هستند.
۱. محدودیت‌های سیلیکون و ضرورت نسل سوم
سلول‌های خورشیدی سیلیکونی کریستالی، با وجود قابلیت اطمینان و طول عمر بالا، به دلیل ساختار فیزیکی و شیمیایی ماده، دارای یک حد نظری برای بازدهی تبدیل انرژی هستند که به آن حد شاکلی-کوایسر (Shockley-Queisser Limit) گفته می‌شود. برای سیلیکون تک‌بلوری، این حد حدود ۳۲ درصد است و در عمل، بازده سلول‌های تجاری اغلب زیر ۲۵ درصد باقی می‌ماند.
دلیل اصلی این محدودیت، باند گپ (Band Gap) ثابت سیلیکون است. سیلیکون تنها می‌تواند بخش محدودی از طیف خورشیدی را به طور موثر جذب کند. فوتون‌های با انرژی کمتر از باند گپ به طور کامل جذب نمی‌شوند و فوتون‌های با انرژی بیشتر، انرژی اضافی خود را به صورت گرما (اتلاف حرارتی) هدر می‌دهند. برای غلبه بر این مانع، نیاز به موادی با باند گپ‌های مختلف است که به صورت لایه‌لایه قرار گیرند، و این دقیقاً همان جایی است که پروسکایت‌ها و ساختارهای چندپیوندی وارد می‌شوند.
۲. ظهور پروسکایت‌ها: ماده‌ی معجزه‌آسای فتوولتائیک
پروسکایت (Perovskite) به خانواده‌ای از مواد بلوری با ساختار شیمیایی خاص (ABX 3) اطلاق می‌شود که از لحاظ عملکرد فتوولتائیک، یک تحول عظیم محسوب می‌شوند. مزیت اصلی پروسکایت‌ها در توانایی آن‌ها برای جذب نور است:
-
ضریب جذب بالا: پروسکایت‌ها نور خورشید را بسیار قوی‌تر از سیلیکون جذب می‌کنند. این ویژگی به محققان اجازه می‌دهد تا لایه‌های جاذب بسیار نازک‌تر (در حد چند صد نانومتر) بسازند که به طور چشمگیری در مصرف مواد اولیه صرفه‌جویی می‌کند.
-
قابلیت تنظیم باند گپ: برخلاف سیلیکون، ترکیب شیمیایی پروسکایت‌ها می‌تواند تنظیم شود تا باند گپ آن‌ها تغییر کند. این انعطاف‌پذیری به ما اجازه می‌دهد تا پروسکایت‌هایی بسازیم که طیف‌های خاصی از نور (مثلاً نور آبی یا سبز) را جذب کنند.
-
پردازش ارزان: پروسکایت‌ها را می‌توان از طریق تکنیک‌های محلول‌محور (Solution-Processing) مانند چاپ جوهر افشان یا پوشش‌دهی چرخشی، در دماهای پایین‌تر تولید کرد. این فرآیندها به طور بالقوه هزینه‌های تولید را به شدت کاهش داده و امکان تولید پنل‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر و سبک را فراهم می‌کنند.
با این حال، چالش بزرگ پروسکایت‌ها، پایداری (Stability) آن‌هاست. این سلول‌ها در برابر رطوبت، گرما و نور ماوراء بنفش نسبتاً آسیب‌پذیر هستند که همین امر تجاری‌سازی در مقیاس بزرگ را به تأخیر انداخته است. تحقیقات کنونی بر روی کپسوله‌سازی و تغییر ترکیب شیمیایی برای افزایش دوام متمرکز است.
۳. سلول‌های چندپیوندی (Tandem): شکستن حد نظری بازدهی
سلول‌های خورشیدی چندپیوندی (که گاهی اوقات به آن‌ها Tandem Cells نیز گفته می‌شود) یک معماری پیشرفته هستند که برای غلبه بر محدودیت باند گپ ثابت طراحی شده‌اند.
الف. مفهوم فنی
در یک سلول چندپیوندی، دو یا چند سلول مجزا که هر یک باند گپ متفاوتی دارند، به صورت عمودی (سری) روی هم انباشته می‌شوند.
-
سلول بالایی (Top Cell): از ماده‌ای با باند گپ بزرگ‌تر (مانند پروسکایت) ساخته می‌شود و فوتون‌های پرانرژی (نور آبی/سبز) را جذب می‌کند.
-
سلول پایینی (Bottom Cell): از ماده‌ای با باند گپ کوچک‌تر (مانند سیلیکون یا یک پروسکایت دیگر) ساخته می‌شود و فوتون‌های کم‌انرژی (نور قرمز/فروسرخ) را که از سلول بالایی عبور کرده‌اند، جذب می‌کند.
با تقسیم طیف خورشیدی به دو یا چند بخش، اتلاف انرژی ناشی از گرمایش کاهش می‌یابد و هر سلول در محدوده انرژی بهینه خود کار می‌کند.
ب. سلول‌های پروسکایت-سیلیکون (Perovskite-on-Silicon)
امروزه، رایج‌ترین و امیدوارکننده‌ترین ساختار Tandem، ترکیب یک لایه پروسکایت در بالا و یک لایه سیلیکون در پایین است. این ساختار از مزایای هر دو فناوری بهره می‌برد:
-
بازدهی رکوردشکن: بازدهی سلول‌های پروسکایت-سیلیکون در محیط‌های آزمایشگاهی به طور مداوم از مرز ۳۳ درصد فراتر رفته و به رکورد ۳۳.۷ درصد (در سال ۲۰۲۳) دست یافته است که به وضوح حد نظری سیلیکون را در هم می‌شکند.
-
مقیاس‌پذیری: این رویکرد امکان استفاده از زیرساخت‌های تولید سیلیکونی موجود را فراهم می‌کند، زیرا لایه پروسکایت را می‌توان مستقیماً روی ویفرهای سیلیکونی موجود رسوب داد.
۴. آینده‌ی فتوولتائیک: از بازدهی به تجاری‌سازی
آینده‌ی فناوری فتوولتائیک حول محور حل دو چالش اصلی می‌چرخد:
الف. پایداری و دوام (Durability)
مهم‌ترین مانع تجاری‌سازی پروسکایت‌ها، پایداری طولانی‌مدت (۲۵ ساله) آن‌ها در شرایط محیطی سخت است. محققان بر روی تثبیت ساختار پروسکایت با استفاده از مواد افزودنی (مانند یون‌های هالیدی مختلف) و توسعه روش‌های کپسوله‌سازی پیشرفته برای محافظت در برابر اکسیژن و رطوبت کار می‌کنند.
ب. کاهش هزینه‌های ساخت
هدف نهایی، تولید برق ارزان‌تر از سوخت‌های فسیلی است. در حالی که پروسکایت‌ها مواد اولیه ارزان‌تری دارند، فرآیندهای تولید در مقیاس بزرگ (Manufacturing Scale-up) برای سلول‌های Tandem هنوز نیاز به بهینه‌سازی دارند تا از لحاظ اقتصادی در برابر سیلیکون رقابتی شوند. مدل‌های Tandem وعده می‌دهند که با بهبود بازدهی تا ۳۰ درصد، هزینه تمام شده برق (LCOE) را حتی با پنل‌های کمتر، به شدت پایین بیاورند.
نتیجه‌گیری
ظهور پروسکایت‌ها و سلول‌های چندپیوندی، مرزهای فیزیک را در تبدیل انرژی خورشیدی جابجا کرده است. این فناوری‌های نسل سوم نه تنها به رکوردشکنی‌های بازدهی ادامه می‌دهند، بلکه مسیر را برای تولید انبوه پنل‌های خورشیدی با انعطاف‌پذیری، سبکی و هزینه بسیار کمتر هموار می‌سازند. با تمرکز بر حل چالش‌های پایداری و انتقال موفقیت‌های آزمایشگاهی به تولید صنعتی، انقلاب پروسکایت‌ها می‌تواند در دهه آینده، سلطه سیلیکون را در بازار انرژی خورشیدی پایان دهد و آینده‌ای با انرژی پاک و فراوان را ممکن سازد.