انرژی خورشیدی برای آینده بسیار ضروری است. اگر به‌صورت جزئی به این مسئله نگاه بیندازیم، می‌بینیم که صنعت پنل‌های خورشیدی در ایالات‌متحده و سایر نقاط جهان در حال رونق گرفتن است. اتحادیه صنعت انرژی خورشیدی (SEIA) می‌گوید از زمانی که کنگره ایالات‌متحده در سال 2006 اعتبار مالیاتی را برای این صنعت به تصویب رسانده، این صنعت به‌طور میانگین از یک دهه پیش، سالانه 50 درصد رشد را تجربه کرده است. در بسیاری از صنایع دیگر، این رقم بسیار قابل‌توجه است. اما انرژی خورشیدی مأموریتی فرای تولید ثروت دارد و آن حفاظت و نجات کره زمین است.
بدون استفاده از پنل‌های خورشیدی و انرژی‌های حاصل از آن‌ها، راهی وجود ندارد تا بتوان از گرمایش جهانی که مسبب آن نیز انسان‌ها هستند و می‌تواند برای همیشه آب‌و‌هوای کره زمین را تغییر دهد، اجتناب کرد. در برنامه توسعه سازمان ملل آمده است: “توانایی انرژی‌های تجدید پذیر در زمینه کاهش تغییرات اقلیمی اثبات شده است.” برخی از فعالان این صنعت بر این باور هستند که تا سال 2050 و به دلیل نیاز به کاهش تغییرات اقلیمی، این صنعت رشدی 6500 درصدی را تجربه خواهد کرد.
اما باوجود تمامی جنبه‌های بااهمیت این پنل‌ها، آن‌ها همچنان ماهیتی اسرارآمیز دارند. این مستطیل‌های مشکی و کمی تهدیدآمیز، نه ظاهری شبیه به ناجیان دارند و نه چنین احساسی را نیز به انسان‌ها منتقل می‌کنند. آبشارها و سدهای عظیم، قهرمانانه به نظر می‌رسند، اما پنل‌های خورشیدی این‌گونه نیستند. خب، در هر صورت این پنل‌ها چگونه کار می‌کنند؟
تاریخچه‌ای مختصر
کار بر روی انرژی خورشیدی از سال 1839 آغاز شده است؛ یعنی هنگامی‌که فیزیکدانی فرانسوی به نام ادموند بکرل (Edmond Becquerel) چیزی را کشف کرد که امروزه آن را تأثیر فوتوولتائیک می‌نامند. بکرل در کسب‌و‌کار خانوادگی خود مشغول به کار بود. پدر وی یعنی آنتوان بکرل (Antoine Becquerel) یک دانشمند فیزیک شناخته‌شده بود و به‌طور فزاینده‌ای به برق و الکتریسیته علاقه‌مند بود. ادموند نیز به طرز کار نور علاقه داشت. وقتی که وی فقط 19 سال داشت، علاقه او و پدرش با یکدیگر پیوند خورده و وی دریافت که از طریق نور خورشید می‌توان به تولید الکتریسیته پرداخت.
سال‌ها گذشت و این فناوری توانست قدم‌های کوچک اما محکمی را بردارد. در طول دهه 1940، دانشمندانی همانند ماریا تلکس (Maria Telkes) با استفاده از سولفات سدیم آزمایش‌هایی را انجام دادند و توانستند که انرژی خورشید را جهت ساخت خانه‌ای به نام Dover Sun House ذخیره کنند. مهندس روسی؛ راسل شومیکر اوچ (Russell Shoemaker Ochs) مشغول بررسی یک نمونه سیلیکونی ترک‌خورده بود و طی این آزمایش فهمید که این نمونه علی‌رغم ترک‌خوردگی همچنان می‌تواند جریان الکتریسیته را از خود عبور دهد.
اما جهش بزرگ در 5 اردیبهشت 1333 (25 آوریل 1954) اتفاق افتاد؛ یعنی هنگامی‌که شیمی‌دان؛ کلوین فولر (Calvin Fuller) و فیزیکدان؛ جرالد پیرسون (Gerald Pearson) و مهندس؛ دارل چاپین (Daryl Chapin) از اولین سلول خورشیدی کاربردی خود رونمایی کردند.
همانند اوچ، این سه نفر نیز پیش‌تر برای شرکت Bell Labs کار کرده بود و همچنین چالش تولید برق از انرژی خورشیدی را نیز پذیرفته بودند. چاپین تلاش کرده بود تا منبع تغذیه موردنیاز برای تلفن‌های بیابانی را تولید کند؛ یعنی جایی که در آن باتری‌های عادی خشک می‌شدند. پیرسون و فولر سعی می‌کردند تا ویژگی‌های نیمه‌هادی‌ها را کنترل کنند. این دستاورد در آینده می‌توانست جهت تأمین انرژی رایانه‌ها مورداستفاده قرار گیرد. هر سه نفر از کارهای یکدیگر خبر داشتند و پس از مدتی تصمیم گرفتند که با یکدیگر کار کنند.
رابرت مارگولیس (Robert Margolis)؛ تحلیلگر ارشد انرژی در آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدید پذیر ایالات‌متحده (NREL) می‌گوید: “اولین سلول‌های خورشیدی اساسا به‌صورت دستی مونتاژ شده بودند.”
پنل‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟
برای اینکه بفهمیم پنل‌های سیلیکونی خورشیدی چگونه به تولید الکتریسیته می‌پردازند، ابتدا لازم است که تا حد اتم وارد جزئیات شویم. عدد اتمی سیلیکون 14 است؛ این بدین معنا است که 14 پروتون در مرکز آن قرار داشته و همچنین 14 الکترون نیز به دور این مرکز می‌چرخند. با استفاده از تصورات کلاسیک درباره حلقه‌های اتمی، باید بگوییم که سه حلقه در اطراف مرکز یک اتم در حال چرخش هستند. داخلی‌ترین حلقه، دو الکترون، حلقه میانی، 8 الکترون و بیرونی‌ترین حلقه نیز 4 الکترون دارد. باید این را نیز در نظر گرفت که ظرفیت دو حلقه داخلی تکمیل بوده اما حلقه سومی (بیرونی‌ترین) نیمه تکمیل است. این قضیه بدین معنا است که این حلقه همیشه به دنبال کمک سایر اتم‌ها جهت تکمیل ظرفیت خود می‌گردد. هنگامی‌که دو اتم با یکدیگر متصل شوند، شکلی به نام ساختار کریستالی را تشکیل می‌دهند.
با در نظر گرفتن آن‌همه الکترونی که سعی دارند خارج شده و به یکدیگر متصل شوند، فضای چندانی برای جریان الکتریسیته باقی نمی‌ماند. به همین دلیل است که سیلیکون استفاده‌شده در پنل‌های خورشیدی، ناخالص است. این نوع سیلیکون با عنصری دیگر مانند فسفر ترکیب می‌شود. بیرونی‌ترین حلقه فسفر، 5 الکترون دارد. الکترون پنجمی که الکترون آزاد نامیده می‌شود، قادر است تا بدون تحریک زیاد، جریان الکتریکی را حمل کند. دانشمندان طی فرآیندی که ناخالص‌سازی (doping) نامیده می‌شود، با افزودن ناخالصی‌ها تعداد الکترون‌های آزاد را افزایش می‌دهند. نتیجه این فرآیند، سیلیکون نوع N نامیده می‌شود.
سیلیکون نوع N همان چیزی است که بر روی سطح پنل‌های خورشیدی قرار دارد؛ یعنی در زیر لایه‌ای از سیلیکون نوع P (سیلیکون مخالف نوع N). درحالی‌که سیلیکون نوع N یک الکترون اضافی دارد، سیلیکون نوع P که از ناخالصی‌هایی مانند گالیوم و بور استفاده می‌کند، یک الکترون کمتر دارد. این قضیه یک عدم تعادل دیگر را ایجاد می‌کند و هنگامی‌که نور خورشید به لایه نوع P می‌تابد، الکترون‌ها فضای خالی یکدیگر را پر می‌کنند. این رویه متعادل‌سازی بارها و بارها خود را تکرار می‌کند و بدین شیوه الکتریسیته تولید می‌شود.
پنل‌های خورشیدی از چه چیزی ساخته شده‌اند؟
سلول‌های خورشیدی از ویفرهای سیلیکونی ساخته شده‌اند. این ویفرها نیز از عنصر سیلیکون و کریستال سخت و شکننده جامد ساخته شده که دومی پس از اکسیژن، فراوان‌ترین عنصر موجود بر روی پوسته زمین است. اگر شما در ساحل باشید و ذره‌های کوچک مشکی را مشاهده کنید، باید بگوییم که آن‌ها سیلیکون هستند. همان‌طور که اوچ نیز دریافته بود، این ذرات به‌صورت طبیعی نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند.
همانند سایر کریستال‌های دیگر، می‌توان سیلیکون را نیز بسط داد. دانشمندانی همانند آن‌هایی که در شرکت Bell Labs کار می‌کردند، سیلیکون را در داخل لوله‌ها و در قالب یک کریستال یکپارچه بسط داده و سپس لوله را جدا کرده و قطعات به‌دست آمده را در اندازه‌هایی که ویفر نامیده می‌شوند، برش می‌دهند.
ویکرام آگاروال (Vikram Aggarwal)؛ بنیان‌گذار و مدیرعامل EnergySage که یک بازار مقایسه‌ای جهت پنل‌های خورشیدی است، می‌گوید: “یک چوب گرد را تصور کنید. این چوب همانند یک پپرونی (نوعی از سوسیس که به‌صورت ورقه‌های نازک جهت تهیه ساندویچ‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد) برش داده می‌شود. این چوب‌ها به‌صورت بسیار نازک برش داده می‌شوند؛ این همان مرحله‌ای است که از لحاظ تاریخی مشکلات زیادی را به وجود آورده است. اگر این برش‌ها زیاد از حد ضخیم باشند، ضایعات محسوب شده و اگر زیاد از حد نیز نازک باشند، جهت ایجاد ترک بر روی آن‌ها انعطاف و کارایی لازم را ندارند.”
شرکت‌ها تولیدکننده سعی می‌کنند که تا حد امکان این ویفرها را نازک تولید کنند تا بدین شیوه از کریستال‌ها بهترین استفاده ممکن را ببرند. این نوع از سلول‌های خورشیدی از سیلیکون‌های تک کریستالی ساخته می‌شوند.
درحالی‌که اولین سلول‌های خورشیدی ازلحاظ ظاهری با گزینه‌های امروزی شباهت‌هایی دارند، اما تفاوت‌هایی نیز در میان آن‌ها وجود دارد. مارگولیس می‌گوید که اگر به شرکت Bell Labs بازگردیم، می‌بینیم که امید اولیه آن‌ها این بوده است تا سلول‌های خورشیدی قابلیت استفاده در مسابقه فضایی آینده را داشته باشند. بنابراین توجهی ویژه بر روی کاهش وزن این دستگاه‌ها وجود داشته است. هنگامی‌که سلول‌های فوتوولتائیک شناخته شدند، دانشمندان این قطعات را در محفظه‌های سبک‌وزن جای دادند.
این ایده کارایی لازم را داشت. در تاریخ 26 اسفند 1336 (17 مارس 1958)؛ یعنی چهار سال پس‌ازاینکه اولین سلول خورشیدی توسعه داده شد، آزمایشگاه Naval Research Laboratory ماهواره Vanguard 1 را ساخت و آن را پرتاب کرد. این ماهواره اولین ماهواره‌ای بود که از انرژی خورشیدی استفاده می‌کرد.
وضعیت امروزی پنل‌های خورشیدی
امروزه سلول‌های فوتوولتائیک در حجمی انبوه به تولید می‌رسند و توسط لیزر و با دقتی بیش از تصور دانشمندان شرکت Bell Labs برش داده می‌شوند. درحالی‌که این قطعات در فضا مورداستفاده قرار می‌گیرند، توانسته‌اند که بر روی زمین ارزش‌ها و موارد استفاده بیشتری را به خود اختصاص دهند. در نتیجه به‌جای تأکید بر وزن، تولیدکنندگان این قطعات تمرکز خود را بر قدرت و دوام این محصولات معطوف کرده‌اند. پس باید با محفظه‌های سبک‌وزن خداحافظی کرد و به شیشه‌هایی که می‌توانند در مقابل آ‌ب‌و‌هوا مقاومت کنند، سلام کرد.
یکی از تمرکزهای اصلی تولیدکنندگان پنل‌های خورشیدی، مسئله کارایی است. کارایی به این معنا است که از هر مترمربع نور تابیده شده بر روی یک پنل خورشیدی، چه مقدار الکتریسیته به دست می‌آید. آگاروال می‌گوید که این یکی از مسائل پایه ریاضیات بوده و در مرکز تمامی محصولات خورشیدی نیز وجود دارد. در اینجا، کارایی به این معنا است که چه مقداری از نور خورشید می‌تواند به‌درستی از طریق لایه‌های نوع P و N به الکتریسیته تبدیل شود.
آگاروال طی فرضیه‌ای اظهار می‌دارد: “بیایید فرض کنیم که شما در پشت‌بام خود 100 فوت فضا در اختیار دارید. در این فضای محدود، اگر پنل‌ها 10 درصد کارایی داشته باشند، آنگاه این میزان کمتر از 20 درصد خواهد بود. کارایی به معنای تعداد الکترون‌های تولیدشده به ازای هر اینچ مربع از ویفرهای سیلیکونی است. هرچقدر که این پنل‌ها کاراتر باشند، صرفه اقتصادی بیشتری خواهند داشت.”
مارگولیس می‌گوید که در حدود یک دهه پیش، کارایی انرژی خورشیدی در حدود 13 درصد بود اما در سال 2019 این رقم به 20 درصد افزایش یافته است. این یک روند افزایشی است. اما مسئله‌ای که مدنظر مارگولیس بوده، محدودیت ذاتی سیلیکون است. به دلیل ماهیت عنصر سیلیکون، این ماده حداکثر می‌تواند تا 29 درصد کارایی داشته باشد. حال باید چه‌کار کنیم؟
آینده پنل‌های خورشیدی
برخی از دانشمندان مشغول بررسی مواد جدیدی هستند. یک ماده معدنی به نام پروسکایت وجود دارد که آگاروال آن را “بسیار هیجان‌انگیز” توصیف می‌کند. این ماده اولین بار در رشته‌کوه اورال در غرب روسیه کشف شد. پروسکایت در آزمایش‌ها توانسته که تعجب محققان را برانگیزد. این ماده در سال 2012، 10 درصد کارایی داشته اما در سال 2014 این رقم به 20 درصد رسیده است. این ماده با استفاده از فلزات معمولی صنعتی قابل ساخت بوده، آسان‌تر یافت می‌شود و همچنین در قیاس با ایجاد تعادل میان لایه‌های نوع P و N، جریان الکتریسیته را از طریق فرآیندی ساده‌تر هدایت می‌کند.
هم آگاروال و هم مارگولیس این را نیز در نظر می‌گیرند که این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد. مارگولیس می‌گوید: “کارایی این ماده در آزمایشگاه‌‌ها به‌سرعت افزایش یافته است، اما تفاوت‌هایی بین آزمایشگاه و دنیای واقعی وجود دارند.” درحالی‌که پروسکایت در هوای صاف پیشرفتی عالی را از خود نشان داده، اما در هنگام رویارویی با عناصری همانند آب، عملکرد آن به‌سرعت کاهش می‌یابد. باران یکی از شرایط عادی دنیای واقعی است.
به‌جای مواد جدید، مارگولیس و تیمش مشغول کار بر روی مفهومی به نام solar plus هستند. وی بیان می‌دارد: “همزمان با اینکه استفاده از انرژی خورشیدی در حال افزایش است، این پتانسیل نیز وجود دارد تا تعامل انرژی خورشیدی با سایر سازه‌ها را نیز در حالت کلی بهبود داد.”
حال یک روز تابستانی بسیار گرم را در شهر خودتان تصور کنید. طی روز به اداره می‌روید و شب هم به خانه بازمی‌گردید. هوا مرطوب و گرم است، بنابراین شما نیز همانند سایر مردم، سیستم تهویه هوای خانه خود را روشن می‌کنید و آنگاه متوجه می‌شوید که شبکه برق‌رسانی شما با مشکل روبه‌رو شده است.
