در قلمرو همیشه در حال تکامل انرژی‌های تجدیدپذیر، سلول خورشیدی حساس به رنگ به‌عنوان جایگزین امیدوارکننده‌ای برای فناوری‌های سنتی فتوولتائیک ظاهر شده‌اند. سلولهای خورشیدی حساس به رنگ (Dye-sensitized Solar Cell) و به‌اختصار DSSCs، نوعی از سلولهای خورشیدی لایه‌نازک است که به‌عنوان گزینه‌ای با هزینه کم در دسته سلولهای خورشیدی قرار می‌گیرد.
تاریخچه سلولهای خورشیدی حساس به رنگ
فهرست مطالب
تاریخچه حساس‌سازی با رنگ به قرن نوزدهم بازمی‌گردد، به دوران اختراع عکاسی. کار ووگل (H. W. Vogel) در شهر برلین، پس از سال 1873، به‌عنوان اولین محقق بررسی‌کننده در زمینه حساس‌سازی مواد نیمه‌رسانا با رنگ محسوب می‌شود. در این تحقیق، امولسیون‌های نقره هالید به‌وسیله رنگ‌ها برای ساخت فیلم‌های عکاسی سیاه‌وسفید تولید شدند.
بااین‌حال، استفاده از اثر فوتوولتائیک در حساس‌سازی با رنگ، به‌طور نسبی ناموفق بود تا اینکه در اوایل دهه 1990، در دانشگاه صنعتی فدرال لوزان سوئیس، مایکل گرتزل و برایان اورگان پیشرفت‌های چشمگیری را به‌دست آوردند. پروفسور گرتزل و همکارانش با ترکیب موفق الکترودهای نانوساختار و رنگ‌های تزریق‌کننده بار (Charge Injecting Dye)، موفق به تهیه یک سلول خورشیدی با بازده تبدیل انرژی بیش از 7% شدند.
این سلول خورشیدی با عنوان سلول خورشیدی نانوساختار حساس به رنگ یا سلول گرتزل شناخته شد. باتوجه‌به هزینه پایین، ساختار نسبتا ساده، بازدهی بالا و پایداری طولانی‌مدت، پژوهش‌ها در زمینه سلولهای خورشیدی حساس به رنگ، به‌سرعت در طی دو دهه اخیر به پیشرفت‌های بزرگی دست یافته‌اند.
مواد مورد استفاده در ساخت این سلول‌ها
تاکنون از مواد متفاوتی در ساخت و تولید سلول خورشیدی حساس به رنگ استفاده می‌شد که هرکدام بازدهی و هزینه‌های ساخت گوناگونی داشتند. در واقع، این سلول‌ها باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که قادر باشند طول‌موج‌های نور خورشید که به سطح زمین می‌رسد را با بازده بالا به انرژی مفید تبدیل کنند. موادی که برای ساخت سلولهای خورشیدی به‌کار می‌روند، در چهار نسل قرار می‌گیرند.
بلورهای معدنی هیبریدشده داخل ماتریکس پلیمری از ترکیبات اصلی تشکیل‌دهنده سلولهای خورشیدی حساس به رنگ نسل چهارم هستند. این مواد قابلیت کنترل در حالت محلول را دارند و از پلیمرهای کم‌هزینه محسوب می‌شوند.
اکنون، بیشترین تعداد سلولهای خورشیدی تجاری از سیلیکون (بیش از 86%) ساخته شده‌اند، درحالی‌که به دلیل هزینه بالای تولید، استفاده از سیلیکون در دستگاه‌های فوتوولتائیک ممکن است محدود شود. به‌طور کلی، سلولهای خورشیدی حساس به رنگ با ویژگی‌هایی چون هزینه تولید پایین، تنوع در رنگ و شکل، انعطاف‌پذیری و وزن سبک، نسبت به سلولهای خورشیدی معدنی از ارجحیت برخوردار هستند.
این در حالی‌است که سلول خورشیدی حساس به رنگ عملکرد با بازده کمتری نسبت به سلولهای خورشیدی معدنی دارند که نیاز به بهبود قابل‌ملاحظه‌ای خواهند داشت.
اجزای تشکیل‌دهنده سلولهای خورشیدی حساس به رنگ
ساختار سلول خورشیدی حساس به رنگ شامل اجزای حیاتی زیر است:
- شیشه به همراه پوشش اکسید رسانای شفاف
- نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2)
- رنگ‌های حساس به نور (معمولا از کمپلکس‌های روتنیوم پلی‌پیریدین استفاده می‌شود)
- الکترولیت اکسایش – کاهش
- الکترود شمارشگر (کاتد)
- مواد ضد نشت برای پیشگیری از نشت الکترولیت و تبخیر حلال
- پوشش‌های محافظ برای حفاظت از سلول در برابر عوامل محیطی و حفظ کارایی آن
این اجزا در ترکیب با یکدیگر، یک سلول خورشیدی حساس به رنگ را تشکیل می‌دهند و امکان تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی را فراهم می‌سازند.
یک DSSC چگونه کار می‌کند؟
مبنای عملکرد سلول خورشیدی حساس به رنگ، یک نیمه‌رسانا است که از یک حساس به نور و یک محلول الکترولیت تشکیل می‌شود. جذب نور توسط یک ماده رنگی باعث برانگیخته‌شدن الکترون‌های آن خواهد شد. باتوجه‌به اندازه بسیار کوچک مولکول‌های ماده رنگی، برای جذب مقدار زیادی نور خورشید، یک ماده دیگر به‌عنوان پایه کاربرد دارد تا تعداد زیادی از مولکول‌های ماده رنگی در یک ساختار سه‌بعدی نگه داشته شوند.
خلاصه‌ای ساده از مراحل کار یک سلول خورشیدی حساس به نور
- در سلولهای خورشیدی حساس به نور، رنگ در واقع ماده فوتو اکتیو DSSC است و زمانی که توسط نور حساس شد می‌تواند الکتریسیته تولید کند.
- این رنگ فوتون‌های نور ورودی (نور خورشید و نور مصنوعی محیط) را می‌گیرد و از انرژی آنها برای تحریک الکترون‌ها بهره می‌برد و در فتوسنتز مانند کلروفیل عمل خواهد کرد.
- رنگ این الکترون برانگیخته را به دی‌اکسید تیتانیوم (رنگ‌دانه سفیدی که معمولا در رنگ سفید یافت می‌شود) تزریق می‌کند.
- الکترون توسط دی‌اکسید تیتانیوم نانوکریستالی (یک‌شکل متبلور در مقیاس نانو از دی‌اکسید تیتانیوم) هدایت خواهد شد.
- سپس یک الکترولیت شیمیایی در سلول مدار را می‌بندد تا الکترون‌ها به رنگ برگردانده شوند.
- حرکت این الکترون‌ها باعث ایجاد انرژی خواهد شد و می‌تواند در یک باتری قابل‌شارژ، خازن یا دستگاه‌های الکتریکی دیگر جمع‌آوری شود.
کاربردهای سلولهای خورشیدی حساس به رنگ
سلول خورشیدی حساس به رنگ، به‌عنوان یک فناوری نوین در زمینه انرژی، کاربردهای گسترده‌ای دارند. در زیر به برخی از مهم‌ترین کاربردهای این سلول‌ها اشاره می‌شود:
تأمین نیروی حرکتی ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی
سلولهای خورشیدی حساس به رنگ به‌عنوان منابع انرژی موثر برای تأمین نیروی حرکتی ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی به‌کار می‌روند.
تولید برق در نیروگاه‌های فوتوولتائیک
در نیروگاه‌های فوتوولتائیک، سلولهای خورشیدی حساس به رنگ به‌عنوان منابع اصلی برای تولید برق از انرژی خورشید استفاده می‌شوند.
استفاده در دستگاه‌های حرکتی مختلف
سلول خورشیدی حساس به رنگ در خودروها، قایق‌های کوچک و دستگاه‌های حرکتی دیگر به‌عنوان منابع انرژی کاربرد دارند.
استفاده در ساختمان‌ها و سازه‌ها
سلولهای خورشیدی حساس به رنگ در ساختمان‌ها و سازه‌ها جهت تأمین انرژی و تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کاربردهای نظامی
در برخی از کاربردهای نظامی، این سلول‌ها جهت تأمین انرژی در مناطق دورافتاده و استفاده در تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سلول خورشیدی حساس به رنگ به‌عنوان یک فناوری مبتنی بر انرژی خورشیدی، در حوزه‌های گوناگون از فضا تا خودروها و ساختمان‌ها، اثرگذاری و کاربرد دارند و با توسعه تکنولوژی، امکانات جدید و گسترده‌تری در آینده به آنها اضافه خواهد شد.
جمع‌بندی
پنل‌های خورشیدی به‌عنوان یک منبع پاک، می‌تواند جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی معرفی شود. سلولهای خورشیدی در چهار نسل دسته‌بندی خواهند شد که سلول خورشیدی حساس به رنگ، بخشی از نسل سوم است. بازده تبدیل انرژی در این سلول‌ها نسبت به سلولهای خورشیدی معدنی پایین‌تر خواهد بود. پایین‌بودن نسبت قیمت پنل های خورشیدی بر عملکرد آنها، تولید انرژی را به طور چشمگیری مقرون‌به‌صرفه می‌کند. این سلول در آغاز چرخه توسعه هستند و به‌تازگی راهکارهای امیدبخشی برای افزایش بازدهی آنها آغاز شده است.