قیف انرژی خورشیدی با اصلاح گاف نواری، کارایی سلول خورشیدی را افزایش می‌دهد.

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام شده توسط پژوهشگرانی در آمریکا و چین منجر به سلول‌های خورشیدی شده است که در گستره وسیعی از طیف خورشیدی به طور مؤثری عمل می‌کنند. عنوان «قیف انرژی خورشیدی» مفهوم جدیدی است که یک روش مبتنی بر فشار را برای تعدیل گاف نواری یک نیمه‌رسانا ارائه می‌دهد به طوری که نسبت به نور در گستره طول موج‌های مختلفی پاسخ می‌دهد.  با این وجود که قیف‌ها در آزمایشگاه ساخته شده و مورد سنجش قرار گرفته‌اند، برخی از پژوهشگران استفاده از آن‌ها را در دستگاه‌های عملی که بتواند مشکلات آن‌ها را نشان دهد، پیشنهاد می‌کنند.

برانگیزان‌های قیفی برای بهبود سلول خورشیدی

اصل اساسی عملکرد یک سلول خورشیدی آن است که یک الکترون در نوار ظرفیت یک ماده نیمه‌رسانا یک فوتون را جذب می‌کند و از روی گاف نواری می‌جهد و به نوار رسانش می‌رسد. نتیجه، یک الکترون و یک حفره با بار مثبت است که به طور جداگانه در نیمه‌رسانا حرکت نمی‌کنند اما در عوض یک حالت مقید را تشکیل می‌دهند که «برانگیزان» (exciton) نامیده می‌شود. برای استخراج انرژی الکتریکی، الکترون‌ها در یک الکترود و حفره‌ها در الکترود دیگری جمع می‌شوند.

نور خورشید در گستره‌ای وسیع از طول موج‌ها می‌آید و بنابراین یک سلول خورشیدی ایده‌آل باید در تبدیل این طیف گسترده به الکتریسیته بسیار کارآمد باشد. متاسفانه نیمه‌رساناها با یک گاف نواری ثابت در انجام این کار، بسیار خوب عمل نمی‌کنند. به ویژه فوتون‌های با طول موج بزرگتر انرژی کافی برای وادار کردن الکترون‌ها به جهش از روی گاف نواری را ندارند و بنابراین به انرژی الکتریکی تبدیل نمی‌شوند. فوتون‌ها با انرژی‌های بزرگتر از گاف نواری به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شوند اما بدون در نظر گرفتن انرژی‌، آن‌ها تنها یک جفت الکترون-حفره را به وجود می‌آورند. هر انرژی اضافی در نیمه‌هادی به صورت گرما تلف خواهد شد.

اصلاح گاف نواری

یک راه جلوگیری از بروز این مشکل ایجاد یک سلول خورشیدی آبشاری متشکل از لایه‌های متعددی از نیمه‌رساناهاست که هر یک گاف نواری متفاوتی دارد. با این وجود این راه پیچیده است و برای تولید مقرون به صرفه نیست. اکنون جو لی و همکارانش در موسسه فناوری ماساچوست (MIT)، دانشگاه پکن و دانشگاه شیان جیاوتونگ می‌گویند آن‌ها به روشی برای اصلاح گاف نواری در یک لایه منفرد از اتم‌ها دست یافته‌اند. این روش بر مبنای مهندسی فشار کشسان است، روشی که تا کنون در صنعت الکترونیک به منظور بهبود عملکرد ترانزیستورهای سیلیکون مورد استفاده قرار می‌گرفت.

در حالی که کریستال‌های سیلیکون به اندازه کافی قوی نیستند تا فشار کشسان لازم برای بهبود سلول‌های خورشیدی را تحمل کنند، برخی نیمه‌هادی‌های دیگر وجود دارند که می‌توانند این کار را انجام دهند. برای مثال سولفید مولیبدنیوم  ساختار کریستالی لایه لایه دارد. این لایه‌های منفرد بسیار قوی هستند. این ماده گاف نواری نسبتاً بزرگی با اندازه 1.9 eV در فشار صفر دارد بنابراین بیشتر انرژی خورشیدی از میان آن بدون آنکه جذب شود، می‌گذرد. با این وجود زمانی که فشار اضافه می‌شود، گاف نواری به طور مداوم تا 1.1eV کاهش می‌یابد که با سیلیکون برابر می‌شود.

این گروه محاسبات را با استفاده از مدل‌های کامپیوتری مکانیکی و ویژگی‌های الکتریکی لایه‌های منفرد سولفید مولیبدنیوم انجام داده‌اند. محاسبات روی لایه‌هایی انجام می‌گیرد که به طور متناوب با نوک یک میکروسکوپ نیروی اتمی دچار فرو ‌‌رفتگی می‌شوند و سپس در لبه‌ها محکم شده تا اطمینان حاصل شود که در جای خود ثابت باقی می‌مانند. این محاسبات نشان می‌دهد که گاف نواری به طور متناوب به عنوان تابعی از مکان در ساختار تغییر می‌کند. بعلاوه این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که گاف نواری موجی اجازه می‌دهد تا ورقه، فوتون‌هایی را با انواع انرژی‌های مختلف جذب کند و قیف، برانگیزان‌های حاصل شده در مرکز است جایی که گاف نواری کمترین مقدار را داراست. این گروه معتقد است که این سوق جهت‌دار یک وسیله برای فوتون‌هایی با انرژی بین 1.1-2 eV را فراهم می‌کند تا به طور مؤثر با جمع شدن برانگیزان‌ها در نقاط چندگانه درون قیف برداشت شوند.

رانش برانگیزان‌ها

لی توضیح می‌دهد که این افت در گاف نواری به برانگیزان‌ها اجازه می‌دهد به طور الکترومغناطیسی به سمت الکترودها رانده شوند. این باعث می‌شود آن‌ها در مقایسه با طراحی‌های قدیمی یک سلول خورشیدی که در آن برانگیزان‌ها به سمت الکترود‌ها پخش می‌شدند، بسیار سریع‌تر جمع شوند. این می‌تواند سلول خورشیدی را کارآمدتر کند. لی توضیح می‌دهد: «شما می‌خواهید بخش‌های مختلف طیف را جذب کنید و سپس برانگیزان‌ها را قبل از آنکه بازترکیب شوند یا انرژی خود را به فونون‌ها بدهند، جمع کنید. وجود چنین قیفی و سوق برانگیزان‌ها به جای حرکت تصادفی آن‌ها، به فرآیند جمع‌آوری آن‌ها کمک می‌کند.»

دی شیائو از دانشگاه کارنگی ملون، پیتزبورگ، تحت تاثیر کار این تیم در اصلاح گاف نواری با استفاده از فشار کشسان قرار گرفته است. با این وجود او بیان می‌دارد که این تیم با یک مشکل عملی در استفاده از روش خود در یک سلول خورشیدی واقعی مواجه است که آن تمایل به ضخامت بیشتر از یک تک‌لایه به منظور جذب حداکثری نور خورشید است. «در یک سلول خورشیدی سیلیکونی معمول، نور مسیر بسیار طولانی را درون سیلیکون می‌پیماید، بنابراین شانس بیشتری برای جذب شدن دارد. اما در یک تک‌لایه، هنگامی‌که از میان ماده عبور کرد، دیگر شانسی برای جذب شدن ندارد.»

پژوهشگر دیگری که متخصص در طراحی سلول‌های خورشیدی است و خواسته که نامش فاش نشود، به دلیل مشکل بودن توقف نور در یک لایه تک اتمی، تردید بیشتری نسبت به عملی بودن این روش دارد. او هم‌چنین در برداشت انرژی اضافی با روش قیف خورشیدی تردید دارد. این پژوهش در مجله Nature Photonics به چاپ رسیده است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/dec/04/semiconductor-funnel-could-boost-solar-cells