کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

رنگهای جاذب نور [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سلول های خورشیدی حساس به رنگ

سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) از مواد ارزان قیمت ساخته شده اند و نیازی به تجهیزات ساخت پیچیده ندارند، بنابراین می توان آنها را به روش DIY ساخت . به طور عمده باید به طور قابل توجهی ارزان تر از طرح های قدیمی سلول های حالت جامد باشد . DSSCها را می‌توان به صورت ورق‌های انعطاف‌پذیر مهندسی کرد و اگرچه راندمان تبدیل آن کمتر از بهترین سلول‌های لایه نازک است ، نسبت قیمت/عملکرد آن ممکن است به اندازه‌ای بالا باشد که به آن‌ها اجازه رقابت با تولید برق با سوخت فسیلی را بدهد .

معمولاً یک رنگ متالارگانیک روتنیم (Ru-centred) به عنوان تک لایه ای از مواد جاذب نور استفاده می شود که بر روی یک لایه نازک دی اکسید تیتانیوم جذب می شود . سلول خورشیدی حساس شده با رنگ به این لایه مزو متخلخل از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO 2 ) برای تقویت سطح (200-300 m 2 / g TiO 2 ) بستگی دارد.
2در مقایسه با تقریباً 10 متر مربع بر گرم تک کریستال مسطح) که امکان تعداد بیشتری رنگ در هر ناحیه سلول خورشیدی را فراهم می کند (که در مدت زمان باعث افزایش جریان می شود). الکترون های تولید شده از رنگ جذب کننده نور به TiO2 نوع n منتقل می شوند
2و سوراخ ها توسط یک الکترولیت در طرف دیگر رنگ جذب می شوند. مدار توسط یک زوج ردوکس در الکترولیت تکمیل می شود که می تواند مایع یا جامد باشد. این نوع سلول امکان استفاده انعطاف‌پذیرتر از مواد را فراهم می‌کند و معمولاً با چاپ روی صفحه یا نازل‌های اولتراسونیک ساخته می‌شود و پتانسیل هزینه‌های پردازش کمتری نسبت به سلول‌های خورشیدی حجیم دارد. با این حال، رنگ‌های موجود در این سلول‌ها نیز تحت گرما و اشعه ماوراء بنفش تخریب می‌شوند و پوشش سلولی به سختی درزبندی می‌شود.به دلیل حلال های مورد استفاده در مونتاژ. به همین دلیل، محققان سلول های خورشیدی حساس به رنگ حالت جامد را توسعه داده اند که از الکترولیت جامد برای جلوگیری از نشت استفاده می کنند. [102] اولین محموله تجاری ماژول های خورشیدی DSSC در جولای 2009 از G24i Innovations رخ داد. [103]

نقاط کوانتومی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سلول خورشیدی نقطه کوانتومی

سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی (QDSCs) بر اساس سلول Gratzel یا معماری سلول های خورشیدی حساس به رنگ هستند ، اما از نانوذرات نیمه هادی با فاصله باند کم استفاده می کنند که با اندازه های کریستالی به اندازه کافی کوچک برای تشکیل نقاط کوانتومی (مانند CdS ، CdSe ، Sb ) ساخته شده اند.
2اس
3، PbS و غیره)، به جای رنگ های آلی یا آلی فلزی به عنوان جاذب نور. به دلیل سمیت مرتبط با ترکیبات مبتنی بر کادمیوم و سرب، یک سری مواد حساس کننده QD سبز نیز در حال توسعه هستند (مانند CuInS 2، CuInSe 2 و CuInSeS). [104] کوانتیزاسیون اندازه QD اجازه می دهد تا شکاف باند با تغییر اندازه ذرات تنظیم شود. همچنین ضریب خاموشی بالایی دارند و امکان تولید اکسایتون های متعدد را نشان داده اند . [105]

در یک QDSC، یک لایه مزو متخلخل از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ، ستون فقرات سلول را تشکیل می دهد، دقیقاً مانند یک DSSC. این TiO
2سپس لایه را می توان با پوشش دادن نقاط کوانتومی نیمه هادی با استفاده از رسوب شیمیایی حمام ، رسوب الکتروفورتیک یا جذب لایه یونی پی در پی و واکنش، فتواکتیو کرد. مدار الکتریکی سپس با استفاده از یک زوج ردوکس مایع یا جامد تکمیل می شود. راندمان QDSCها به بیش از 5 درصد افزایش یافته است [106] که برای سلول های محل اتصال مایع [107] و سلول های حالت جامد، [108] با حداکثر بازده گزارش شده 11.91٪ نشان داده شده است. [109] در تلاش برای کاهش هزینه های تولید، گروه تحقیقاتی پراشانت کامات [110] رنگ خورشیدی ساخته شده با TiO را نشان داد.
2و CdSe که می تواند با استفاده از روش یک مرحله ای برای هر سطح رسانا با بازده بیش از 1٪ اعمال شود. [111] با این حال، جذب نقاط کوانتومی (QDs) در QDSCها در دمای اتاق ضعیف است. [112] نانوذرات پلاسمونیک را می توان برای رسیدگی به جذب ضعیف QD ها (مثلاً نانواستار) مورد استفاده قرار داد . [113] افزودن یک منبع پمپاژ مادون قرمز خارجی برای تحریک انتقال درون باند و بین باند QD ها راه حل دیگری است. [112]

سلول های خورشیدی آلی/پلیمری [ ویرایش ]

مقالات اصلی: سلول خورشیدی آلی و سلول خورشیدی پلیمری

سلول های خورشیدی آلی و سلول های خورشیدی پلیمری از لایه های نازک (معمولاً 100 نانومتر) از نیمه هادی های آلی از جمله پلیمرها مانند پلی فنیلن وینیلن و ترکیبات مولکولی کوچک مانند فتالوسیانین مس (یک رنگدانه آلی آبی یا سبز) و مشتقات کربنی فولرن و فولر ساخته می شوند. به عنوان PCBM .

آنها را می توان از محلول مایع پردازش کرد، که امکان یک فرآیند چاپ رول به رول ساده را فراهم می کند، که به طور بالقوه منجر به تولید ارزان و در مقیاس بزرگ می شود. علاوه بر این، این سلول‌ها می‌توانند برای برخی از کاربردهایی که انعطاف‌پذیری مکانیکی و دور ریختنی مهم هستند، مفید باشند. با این حال، راندمان سلول فعلی بسیار پایین است و دستگاه های عملی اساساً وجود ندارند.

راندمان تبدیل انرژی که تا به امروز با استفاده از پلیمرهای رسانا به دست آمده است در مقایسه با مواد معدنی بسیار پایین است. با این حال، Konarka Power Plastic به بازده 8.3٪ [114] و سلول های پشت سر هم آلی در سال 2012 به 11.1٪ رسید. [ نیازمند منبع ]

منطقه فعال یک دستگاه آلی از دو ماده تشکیل شده است، یک الکترون دهنده و یک گیرنده الکترون. هنگامی که یک فوتون به یک جفت حفره الکترونی تبدیل می‌شود، معمولاً در ماده دهنده، بارها تمایل دارند به شکل یک اکسایتون محدود باقی بمانند و بر خلاف بسیاری از انواع دیگر سلول‌های خورشیدی، هنگامی که اکسایتون به سطح مشترک گیرنده-دهنده منتشر می‌شود، جدا می‌شوند. طول کوتاه انتشار اکسایتون اکثر سیستم های پلیمری باعث محدود شدن کارایی چنین دستگاه هایی می شود. رابط های نانوساختار، گاهی اوقات به شکل اتصالات ناهمگون حجیم، می توانند عملکرد را بهبود بخشند. [115]

در سال 2011، محققان MIT و ایالت میشیگان سلول های خورشیدی را با راندمان انرژی نزدیک به 2٪ با شفافیت چشم انسان بیش از 65٪ توسعه دادند که با جذب انتخابی بخش های فرابنفش و نزدیک به مادون قرمز طیف با ترکیبات مولکولی کوچک به دست آمد. . [116] [117] محققان UCLA اخیراً یک سلول خورشیدی پلیمری مشابه را با پیروی از همان رویکرد توسعه دادند که 70٪ شفاف است و بازده تبدیل توان 4٪ دارد. [118] [119] [120] این سلول های سبک وزن و انعطاف پذیر را می توان به صورت عمده با هزینه کم تولید کرد و می توان از آنها برای ایجاد پنجره های تولید برق استفاده کرد.

در سال 2013، محققان سلول های پلیمری را با راندمان 3 درصد اعلام کردند. آنها از کوپلیمرهای بلوک ، مواد آلی خودآرایی که خود را در لایه های مجزا مرتب می کنند، استفاده کردند. این تحقیق بر روی P3HT-b-PFTBT متمرکز شد که به نوارهایی به عرض حدود 16 نانومتر جدا می شود. [121] [122]

سلول های تطبیقی ​​[ ویرایش ]

سلول های تطبیقی ​​بسته به شرایط محیطی ویژگی های جذب/بازتاب خود را تغییر می دهند. یک ماده تطبیقی ​​به شدت و زاویه تابش نور پاسخ می دهد. در قسمتی از سلول که نور شدیدتر است، سطح سلول از بازتابی به تطبیقی ​​تغییر می کند و به نور اجازه می دهد تا به سلول نفوذ کند. سایر قسمت‌های سلول بازتابنده باقی می‌مانند و باعث حفظ نور جذب شده در سلول می‌شوند. [123]

در سال 2014، سیستمی توسعه یافت که یک سطح تطبیقی ​​را با یک بستر شیشه ای ترکیب می کرد که جذب شده را به یک جاذب نور در لبه های ورق هدایت می کرد. این سیستم همچنین شامل مجموعه‌ای از لنزها/آینه‌های ثابت برای تمرکز نور بر روی سطح تطبیقی ​​است. با ادامه روز، نور متمرکز در امتداد سطح سلول حرکت می کند. این سطح زمانی که نور بیشتر متمرکز است از بازتابی به تطبیقی ​​تغییر می کند و پس از حرکت نور به حالت بازتابی باز می گردد. [123]

بافت سطح [ ویرایش ]

هواپیماهای Solar Impulse هواپیماهای تک سرنشینه طراحی سوئیس هستند که به طور کامل از سلول های فتوولتائیک انرژی می گیرند.

در سال‌های گذشته، محققان تلاش کرده‌اند تا قیمت سلول‌های خورشیدی را کاهش دهند و بازده را به حداکثر برسانند. سلول خورشیدی لایه نازک یک سلول خورشیدی نسل دوم مقرون به صرفه با ضخامت بسیار کاهش یافته به هزینه جذب نور است. تلاش هایی برای به حداکثر رساندن راندمان جذب نور با کاهش ضخامت انجام شده است. بافت سطحی یکی از تکنیک هایی است که برای کاهش تلفات نوری برای به حداکثر رساندن نور جذب شده استفاده می شود. در حال حاضر، تکنیک های بافت سطح در فتوولتائیک های سیلیکونی توجه زیادی را به خود جلب کرده است. بافت سطحی را می توان به روش های مختلفی انجام داد. اچ کردن بستر سیلیکونی تک کریستالی می‌تواند با استفاده از اچ‌کننده‌های ناهمسانگرد، اهرام مربعی به‌طور تصادفی بر روی سطح تولید کند. [124]مطالعات اخیر نشان می‌دهد که ویفرهای c-Si می‌توانند برای تشکیل هرم‌های معکوس در مقیاس نانو حک شوند. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی چند کریستالی، به دلیل کیفیت کریستالوگرافی ضعیف‌تر، نسبت به سلول‌های خورشیدی تک کریستالی کارایی کمتری دارند، اما سلول‌های خورشیدی mc-Si به دلیل مشکلات کمتر ساخت، همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. گزارش شده است که سلول های خورشیدی چند کریستالی را می توان با بافت سطحی به منظور ایجاد راندمان تبدیل انرژی خورشیدی قابل مقایسه با سلول های سیلیکونی تک کریستالی، از طریق روش های حکاکی ایزوتروپیک یا فوتولیتوگرافی، بافت کرد. [125] [126]پرتوهای نوری برخوردی بر روی سطح بافتی، برخلاف پرتوهای روی سطح صاف، به هوا بازتاب نمی‌کنند. بلکه برخی از پرتوهای نور به دلیل هندسه سطح دوباره به سطح دیگر منعکس می شوند. این فرآیند به دلیل افزایش جذب نور، راندمان تبدیل نور به برق را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. این اثر بافت و همچنین تعامل با سایر رابط‌ها در ماژول PV یک کار شبیه‌سازی نوری چالش برانگیز است. یک روش کارآمد برای مدل‌سازی و بهینه‌سازی، فرمالیسم OPTOS است . [127] در سال 2012، محققان MIT گزارش دادند که فیلم‌های c-Si بافت‌دار با هرم‌های معکوس در مقیاس نانو می‌توانند به جذب نور قابل مقایسه با c-Si مسطح 30 برابر ضخیم‌تر دست یابند. [128] در ترکیب باپوشش ضد انعکاس ، تکنیک بافت سطحی می تواند به طور موثر پرتوهای نور را در یک سلول خورشیدی سیلیکونی لایه نازک به دام بیندازد. در نتیجه، ضخامت مورد نیاز برای سلول های خورشیدی با افزایش جذب پرتوهای نور کاهش می یابد.

کپسولاسیون [ ویرایش ]

سلول‌های خورشیدی معمولاً در یک رزین پلیمری شفاف محصور می‌شوند تا از نواحی ظریف سلول‌های خورشیدی برای تماس با رطوبت، خاک، یخ و سایر شرایط مورد انتظار در حین کار یا هنگام استفاده در خارج از منزل محافظت کنند. کپسولان ها معمولا از پلی وینیل استات یا شیشه ساخته می شوند. بیشتر کپسول‌کننده‌ها از نظر ساختار و ترکیب یکنواخت هستند، که به دلیل به دام افتادن نور از بازتاب داخلی نور در داخل رزین، جمع‌آوری نور را افزایش می‌دهد. تحقیقاتی در مورد ساختار محصورکننده برای فراهم کردن جمع آوری بیشتر نور انجام شده است. چنین کپسوله‌هایی شامل سطوح شیشه‌ای زبر، [129] عناصر پراش، [130] آرایه‌های منشوری، [131] منشورهای هوا، [132]v-grooves، [133] عناصر پراکنده، و همچنین آرایه های موجبر چند جهته. [134] آرایه های منشوری افزایش کلی 5 درصدی در تبدیل کل انرژی خورشیدی را نشان می دهند. [132] آرایه‌های موجبرهای باند پهن با تراز عمودی، 10 درصد افزایش در بروز معمولی، و همچنین افزایش جمع‌آوری زاویه باز تا 4 درصد، [135] با ساختارهای بهینه‌شده که تا 20 درصد افزایش در جریان اتصال کوتاه ایجاد می‌کنند، فراهم می‌کنند. [136] پوشش‌های فعالی که نور مادون قرمز را به نور مرئی تبدیل می‌کنند، 30 درصد افزایش نشان داده‌اند. [137]پوشش‌های نانوذراتی که پراکندگی نور پلاسمونیک را القا می‌کنند، بازده تبدیل زاویه باز را تا 3 درصد افزایش می‌دهند. ساختارهای نوری نیز در مواد کپسوله‌سازی ایجاد شده‌اند تا به‌طور مؤثری کنتاکت‌های جلوی فلزی را بپوشانند. [138] [139]

تعمیر و نگهداری مستقل [ ویرایش ]

این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( نوامبر 2021 )

مکانیسم های جدید خود تمیز شونده برای پانل های خورشیدی در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، در سال 2019 از طریق نانوسیم‌های حکاکی شده با مواد شیمیایی مرطوب و یک پوشش آبگریز بر روی قطرات آب سطحی می‌توان 98 درصد ذرات گرد و غبار را حذف کرد، که ممکن است به‌ویژه برای کاربرد در صحرا مهم باشد. [140] [141]