بزرگنمایی:

تبسم مهر - محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شدند سلول‌های خورشیدی پلیمری برپایه رنگدانه‌های لیزری طراحی کنند که قابل نصب روی کیف‌های دستی و ... است.

به گزارش خبرنگار مهر ، انرژی خورشیدی منحصر به فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین به شمار می‌آید. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل شود. با توجه به محدود بودن منابع سوخت‌های فسیلی و مشکلات ناشی از احتراق این سوخت‌ها مانند آلودگی روز افزون هوا، استفاده از فناوریهای خورشیدی مورد توجه بسیاری از کشورها قرار گرفته و در حال حاضر کشورهای زیادی وجود دارند که به دنبال استفاده از نور خورشید برای تامین انرژی خود هستند.
در همین راستا با یکی از محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر که موفق شدند در زمینه انرژی‌های خورشیدی فعالیت جدیدی را انجام دهند، گفتگو کردیم. این گفتگو با شعله کاظمی فرد، فارغ التحصیل دانشگاه صنعتی امیرکبیر در رشته شیمی کاربردی، مدیر یکی از مرکز تحقیقاتی زیر نظر وزارت صنعت و مدیر آزمایشگاه کنترل مرکزی زیر نظر سازمان غذا و دارو و سازمان استاندارد انجام گرفته است.
شعله کاظمی فرد در خصوص اهمیت انرژی‌های خورشیدی به خبرنگار مهر گفت: از میان انواع منابع انرژی تجدید پذیر همچون نور خورشید، باد، آب و زمین گرمایی، انرژی خورشید بعنوان یک منبع بسیار مهم برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و آلودگی‌های زیست محیطی در نظر گرفته شده است. نور خورشید در محدوده فرابنفش و مرئی انرژی لازم برای تهییج مواد نیمه رسانا را دارد.
کاظمی فرد خاطر نشان کرد: بر همین اساس سلول‌های خورشیدی سیلیکونی بعنوان اولین دستگاه‌های تبدیل مستقیم نور خورشید به الکتریسیته بر پایه پدیده فوتو ولتایی تولید و گسترش یافته اند. این دستگاه‌ها به دلیل استفاده از سیلیکون خالص بسیار گران قیمت هستند؛ اما در جهت کاهش قیمت سلول‌های خورشیدی به ساخت سلولهای خورشیدی برپایه ترکیبات حساس به نور متنوعی اعم از ترکیبات معدنی غیرسیلیکونی، رنگ‌ها و ترکیبات آلی همچون پلیمرها روی آورده ایم.
وی گفت: سلول‌های خورشیدی پلیمری همچون دیگر سلول‌های خورشیدی از دو الکترود و یک لایه فعال تشکیل شده اند و به دلیل مزیت هایی چون مراحل آماده سازی آسان (فراوری در فاز محلول)، هزینه پایین تولید، وزن سبک و انعطاف پذیری مناسب در سال‌های اخیر توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است.
وی تاکید کرد: لایه فعال و حساس به نور در سلول خورشیدی آلی پلیمری از دو پلیمر رسانای الکترون دهنده و الکترون پذیرنده تشکیل شده که عمدتا بین دو الکترود «ایندیوم قلع اکسید» و «آلومینیوم نازک» ساندویچ می‌شود. با توجه به انعطاف پذیری سلول‌های خورشیدی پلیمری این دستگاه‌ها قابلیت استفاده در مصارف خانگی و صنعتی متنوعی را دارند؛ اما، کاربرد این سلول‌های خورشیدی بعلت راندمان پایین و تخریب فوتوشیمیایی مواد آلی تشکیل دهنده لایه فعال همراه با محدودیت است.
وی گفت: به منظور برطرف کردن این معایب تحقیقات گسترده ای طی سالهای اخیر در سراسر جهان در سه شاخه « طراحی و سنتز مواد جدید با ویژگی‌های برتر به منظور کاربرد در الکترودها و لایه فعال»، بهینه ساختن ویژگی‌های مواد رایج موجود با استفاده از روش‌های فیزیکی و شیمیایی» و ارائه ساختارها و طراحی‌های جدید برای این تولید این سلول‌ها صورت پذیرفته است. بر همین اساس گروه تحقیقاتی سلول خورشیدی پلیمری در دانشگاه صنعتی امیرکبیر تشکیل شد.
طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی پلیمری با رنگدانه‌های آلی لیزری سازگار با محیط زیست
این محقق خاطر نشان کرد: براساس مطالعات انجام شده، تاکنون طرح مشابهی با پروژه حاضر در دنیا به انجام نرسیده است.
وی در خصوص این پروژه توضیح داد: رنگدانه‌ها به طور عمده در ساخت سلول‌های خورشیدی حساس شده به رنگدانه مورد استفاده قرار می‌گیرند که منجر به بازده و عملکرد مطلوب این نوع سلول‌های خورشیدی می‌شوند. همین موضوع ایده ساخت سلول‌های خورشیدی پلیمری بر پایه رنگدانه قرار گرفت. هرچند که ساختارهای طراحی شده، خاص بوده و به نمونه‌های موجود شباهتی ندارند.
این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر افزود: برای این منظور دو گروه از رنگدانه‌های منطقه «فرابنفش» و «ناحیه مرئی»، در حضور پلیمرهای رسانای معمول که در ساخت سلول‌های خورشیدی پلیمری استفاده می‌شود (پلیمرهای P3HT و PCBM) بکار برده شد. خصلت اصلی این رنگدانه‌ها خصوصیات طول موج جذب و نشر آنهاست. همچنین انتخاب رنگدانه‌ها طوری صورت می‌گیرد، بگونه ای که بتواند منجر به انتقال آبشار گونه بار الکتریکی در سلول خورشیدی شود.
وی با اشاره به رنگدانه‌های به کار رفته شده در این سلول‌های خورشیدی گفت: رنگدانه‌های لیزری زیرمجموعه ای از رنگدانه‌های آلی فاقد فلز هستند که بدلیل عدم وجود فلز در این ساختارها ارزان قیمت‌تر هستند. رنگدانه‌های لیزری از لحاظ ساختاری مولکول‌های آلی بزرگ درنظر گرفته می‌شوند. هنگامی که این مولکول‌های آلی در حلال مناسب خود (اتانول، متانول، مخلوط اتانول و آب) حل می‌شوند، می‌توانند به عنوان محیط لیزری برای کاربرد در لیزرهای رنگی نیز استفاده شوند.
به گفته کاظمی فرد، ویژگی رنگدانه‌های لیزری آن است که محلول آنها نور را در طول موج‌های کوتاه‌تر جذب و در طول موج‌های بلندتر نشر می‌دهد. از رنگدانه‌های لیزری موفق می‌توان به رودامین‌ها و کومارین‌ها اشاره کرد. رنگدانه‌های لیزری تاکنون در ساخت سلول‌های خورشیدی پلیمری مورد استفاده قرار نگرفته اند ولی کاربرد آنها در DSSC‌ها مشاهده شده است.
این محقق خاطر نشان کرد: از آنجا که نمونه‌های ساخته شده با ساختار و رنگدانه‌های لیزری کاربردی، برای نخستین بار طراحی شده اند، از این رو، ارتقای آنها نیز در همین گروه پژوهشی مورد بررسی قرار گرفته است که با تغییر در ضخامت سلول خورشیدی و غلظت رنگدانه کاربردی به جریان‌های 21 میلی آمپر رسیدیم.
وی با اشاره به اینکه این طرح می‌تواند مخاطبان زیادی داشته باشد، گفت: در حال حاضر با توجه به جدید بودن تکنولوژی ساخت سلول‌های خورشیدی در تمام دنیا، بغیر از نمونه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی که تجاری سازی شده اند، سایر انواع سلول‌های خورشیدی به مرحله تجاری سازی در سطح کلان نرسیده اند. اما نمونه مورد بحث به دلیل جریان و ولتاژ بالای تولیدی، اعتماد سرمایه گذاری را می‌تواند ایجاد کند.

استفاده شخصی از سلول‌های خورشیدی
وی با بیان اینکه از این سلول‌ها می‌توان در سطوح منعطف مثل لباس و کیف دستی استفاده کرد، گفت: چنانچه مدل منعطف از این سلول‌ها ساخته شود، امکان نصب در سطوح منعطف مانند لباس و کیف دستی را دارد. به عنوان مثال، روی کیف دستی نصب می‌شوند و برای تامین برق مورد نیاز لوازم همراه بکار می‌روند. مثلا می‌توانند موبایل یا تبلت را شارژ کند تا نیازی به بردن شارژر همراه نباشد.
فارغ التحصیل دانشگاه صنعتی امیرکبیر با بیان اینکه با توجه به نتایج به دست آمده نمونه آزمایشگاهی این سلول‌ها که دارای ابعاد1.5 در 1.5 سانتی متر مربع هستند، بازده هشت درصدی دارند و برای روشنایی معمولا از پانل‌های این سلول‌ها استفاده می‌شود که تعداد 100 سلول در کنار هم قرار می‌گیرند.
وی درباره خصوصیات این سلول‌های های خورشیدی طراحی شده گفت: سلول‌های ساخته شده دارای وزن سبک هستند، فرآیند پذیری در حالت محلول دارند و به هنگام تولید تجاری می‌توان با استفاده از تکنیک‌های Roll to Roll (همانند تولید روزنامه) آنها را تولید کرد. از این رو فضای زیادی را برای تولید انبوه نیاز ندارند. همچنین با تغییر پلیمرهای معمول و سنتز مواد جدید می‌توان با تاثیر بر باندگپ مواد رسانا، به جریان‌ها و ولتاژهای بالاتر رسید. رنگدانه‌های بکار برده شده، ناحیه مرئی و فرابنفش را تحت پوشش قرار می‌دهند و فوتون‌های پر انرژی این ناحیه را جذب می‌کنند و با انتقالات فورستر در ساختار، علاوه بر انتقال بار، انتقال انرژی را نیز منجر می‌شوند.
وی با بیان اینکه هنوز مشابه خارجی ندارد، ادامه داد: این سلول‌ها برای تمامی اماکن اعم از علائم حمل و نقل موجود در جاده‌ها مانند تابلوهای VMS، برای چراغ‌های راهنمایی و رانندگی، تامین برق مناطق کوهستانی، تامین برق سیستم‌های مخابراتی، تامین برق کارخانجات و در هر مکانی که امکان رساندن برق و کابل کشی توجیه اقتصادی نداشته باشد مانند مسیرهای صعب العبور و ..، سلول‌های خورشیدی می‌توانند به کمک تامین برق آیند.
وی عنوان کرد: نتایج حاصل از این کارهای پژوهشی بصورت مقاله در مجلات بین المللی معتبر به چاپ رسیده و در کنفرانس‌های معتبر داخلی و بین المللی ارائه شده است. گواهی ثبت اختراع و تائیدیه سازمان پژوهشهای علمی صنعتی ایران برای این دستاوردها دریافت شده است.
این پروژه به سرپرستی دکتر لیلا ناجی استادیار گروه شیمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر به انجام رسیده است.