انرژی خورشیدی به عنوان یکی از پایدارترین منابع انرژی، در دهه‌های اخیر به نقطه عطفی برای مقابله با تغییرات اقلیمی تبدیل شده است. با این حال، پنل‌های خورشیدی سنتی همواره به دلیل محدودیت‌هایی مانند اندازه بزرگ، سختی ساختار و کدری، نتوانسته‌اند به تمامی پتانسیل خود دست یابند. این محدودیت‌ها باعث شده که استفاده از پنل‌های خورشیدی به مکان‌هایی خاص مانند پشت‌بام‌ها یا مزارع و زمین‌های باز محدود شود.
اما پیشرفت‌های اخیر در زمینه سلول‌های خورشیدی شفاف (Transparent Solar Cells یا به اختصار TSCs)، نوید جهشی عظیم را در این عرصه می‌دهند. این سلول‌ها می‌توانند انرژی خورشیدی را از سطوح غیرمتداولی مانند پنجره‌ها، خودروها و حتی پوست انسان جذب کنند! با دیجی رو همراه باشید.
چالش‌های سلول‌های خورشیدی سنتی و ظهور فناوری جدید
سلول‌های خورشیدی سنتی علیرغم بهره‌وری بالا، مشکلاتی مانند اختلال در زیبایی ساختمان‌ها و محدودیت در هماهنگی با ساختارهای روزمره را به همراه دارند. سلول‌های خورشیدی شفاف، به ویژه نسخه جدیدی که با نام سلول‌های خورشیدی تقریباً نامرئی (Near-Invisible Solar Cells یا NISCs) شناخته می‌شوند، این چالش‌ها را پشت سر گذاشته‌اند.
این سلول‌های جدید با میانگین شفافیت بصری (Average Visible Transparency یا AVT) بیش از 70 درصد و در برخی موارد تا 79 درصد، به راحتی در محیط اطراف خود محو می‌شوند و همزمان انرژی تولید می‌کنند.
پیشرفت‌های فنی و استفاده از مواد دو بعدی
یکی از بزرگ‌ترین دستاوردها در زمینه توسعه این فناوری، استفاده از مواد دو بعدی مانند دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (Transition Metal Dichalcogenides یا TMDs) است. این مواد به دلیل ساختار بسیار نازک، توانایی استثنایی در جذب نور و قابلیت تنظیم گاف انرژی در محدوده نور مرئی، شناخته می‌شوند.
با بهره‌گیری از این ویژگی‌ها، پژوهشگران سلول‌هایی ساخته‌اند که شفافیت و کارایی انرژی را به طور همزمان ارائه می‌دهند؛ دو خاصیتی که تا پیش از این در تضاد با هم بودند.
معماری پیشرفته سلول‌ها
برای بهره‌برداری از TMDها در سلول‌های خورشیدی تقریباً نامرئی، دانشمندان تمرکز خود را بر تعامل بین ایندیم تین اکسید (Indium Tin Oxide یا ITO) که یک رسانای شفاف معمولی است، و دی‌سولفید تنگستن (Tungsten Disulfide یا WS₂) که یک ماده فوتواکتیو است، گذاشته‌اند.
تحت هدایت توشیاکی کاتو (Toshiaki Kato) از دانشگاه توهوکو (Tohoku University)، تیم تحقیقاتی با پوشش ITO به لایه‌های نازک مس و اکسید تنگستن، موانع تماس را بهینه کردند. این تغییر معماری باعث کاهش ارتفاع مانع شاتکی (Schottky Barrier Height) و بهبود جمع‌آوری حامل‌های بار و بهره‌وری تبدیل انرژی شد.
کاتو اینگونه توضیح داده که:
رویکرد ما بهره‌وری تبدیل انرژی را بیش از 1000 برابر نسبت به دستگاه‌هایی که از الکترودهای ITO استاندارد استفاده می‌کنند، افزایش داد.
نتیجه این تحقیق، دستگاهی با شفافیت 79 درصد و توان تولیدی 13 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع بود که عملکردی مشابه سلول‌های خورشیدی کدر سنتی دارد.
چالش‌های مقیاس‌پذیری و بهینه‌سازی ابعاد
هنگام افزایش اندازه سلول‌ها، پژوهشگران با افت غیرمنتظره‌ای در ولتاژ مدار باز مواجه شدند. برای رفع این مشکل، آن‌ها نسبت ابعاد واحدهای دستگاه را اصلاح کردند تا عملکرد یکنواختی در مقیاس‌های بزرگ‌تر ارائه دهند.
نتیجه این اصلاحات، ساخت یک سلول خورشیدی 1 سانتی‌متر مربعی بود که 420 پیکووات انرژی تولید می‌کرد و کمترین تأثیر را بر شفافیت داشت.
کاربردهای گسترده سلول‌های خورشیدی شفاف
پتانسیل استفاده از سلول‌های خورشیدی تقریباً نامرئی بسیار گسترده است. در معماری، این سلول‌ها می‌توانند پنجره‌ها را به پنل‌های انرژی‌زا تبدیل کنند، بدون اینکه زیبایی ساختمان یا میزان نور طبیعی کاهش یابد. این فناوری می‌تواند آسمان‌خراش‌ها را به نیروگاه‌های عظیم انرژی تبدیل کند.
در صنعت خودرو، این سلول‌ها می‌توانند به شیشه جلو یا بدنه خودروها اضافه شوند و برد وسایل نقلیه الکتریکی را افزایش دهند و وابستگی به زیرساخت‌های شارژ را کاهش دهند.
تکنولوژی پوشیدنی نیز می‌تواند از این پیشرفت بهره‌مند شود. این سلول‌ها می‌توانند ساعت‌های هوشمند، ردیاب‌های تناسب اندام یا دستگاه‌های پزشکی تعبیه شده در لباس‌ها و لوازم جانبی را تأمین انرژی کنند. نسخه‌های پیشرفته‌تر حتی می‌توانند در پوست انسان تعبیه شوند تا انرژی مورد نیاز ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی مانند ضربان‌سازها یا مانیتورهای گلوکز را تأمین کنند.
دستگاه‌های هوشمند نیز یک بازار بالقوه دیگر هستند. سلول‌های خورشیدی شفاف می‌توانند جایگزین شیشه‌های سنتی در گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها شوند و تولید دستگاه‌های خود شارژ شونده را بدون نیاز به منبع انرژی خارجی ممکن کنند.
تأثیرات زیست‌محیطی
گذار به سمت سلول‌های خورشیدی شفاف، پیامدهای زیست‌محیطی عمیقی دارد. با گنجاندن فناوری خورشیدی در اشیاء روزمره، اتکا به سوخت‌های فسیلی به شدت کاهش می‌یابد.
برخلاف منابع انرژی سنتی، انرژی خورشیدی هیچ‌گونه گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کند و با تلاش‌های جهانی برای مقابله با تغییرات اقلیمی هماهنگ است. علاوه بر این، این سلول‌ها با گسترش کاربرد سطوحی که قبلاً بلااستفاده بودند، به چرخش اقتصاد نیز کمک می‌کنند.
چالش‌ها و چشم‌انداز آینده
با وجود تمام نویدها، سلول‌های خورشیدی شفاف هنوز با موانعی برای پذیرش گسترده روبرو هستند. دوام دستگاه‌ها یکی از نگرانی‌های اصلی است، به ویژه اینکه این سلول‌ها باید در برابر قرار گرفتن طولانی مدت در شرایط محیطی مقاومت کنند. همچنین، تولید انبوه آن‌ها به فناوری‌های دقیق و هزینه‌بر نیاز دارد.
هزینه مواد نیز چالش دیگری است. TMDها و سایر مواد پیشرفته مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی شفاف نسبت به سیلیکون که ماده اصلی پنل‌های خورشیدی سنتی است، گران‌تر هستند. پژوهشگران به طور فعال در حال بررسی جایگزین‌های مقرون‌به‌صرفه و نوآوری‌های تولیدی هستند تا این فناوری را به بازار گسترده‌تری عرضه کنند.
نتیجه‌گیری
گذار به سمت سلول‌های خورشیدی کاملاً شفاف، قدرت همکاری بین‌رشته‌ای را نشان می‌دهد. پیشرفت‌هایی در فناوری نانو، علوم مواد و مهندسی باعث شده دستگاه‌هایی تولید شوند که محدودیت‌های سنتی را پشت سر گذاشته‌اند.
با تکامل این فناوری‌ها، محققان آماده‌اند تا درک ما از انرژی خورشیدی و نحوه استفاده از آن را متحول کنند. کاتو در این زمینه می‌گوید:
پتانسیل سلول‌های خورشیدی شفاف فراتر از کاربردهای فعلی است. از تأمین انرژی زیرساخت‌های شهری تا یکپارچه شدن با دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی، این سلول‌ها نماد آینده‌ای پایدار هستند که فناوری را با محیط زیست همسو می‌کند.
یافته‌های این پژوهش که در مجله علمی Scientific Reports منتشر شده، نشان دهنده یک تغییر بنیادین در فناوری انرژی‌های تجدیدپذیر است. با ادامه نوآوری‌ها، سلول‌های خورشیدی تقریباً نامرئی می‌توانند به سنگ‌بنای دنیایی سبزتر و متصل‌تر تبدیل شوند.
