به تمام پنجرههای جهان، هکتارها فضای بلااستفاده که منتظر تبدیل شدن به یک منبع اصلی انرژی پاک هستند. پنلهای خورشیدی شفاف، آینده انرژی خورشیدی را نشان میدهند، با این قابلیت که میتوانند شهرهایی را که روی آنها قرار دارند، تأمین انرژی کنند. . پنلهای خورشیدی سنتی کارهای شگفتانگیزی برای ما انجام دادهاند و به ما این امکان را دادهاند که شهرها و محلهها را با آلودگی کم یا بدون آلودگی تأمین انرژی کنیم.
مزارع خورشیدی امروزی، قطعات زمین وسیعی با پنلهای خورشیدی مرتفع هستند که رو به خورشید قرار گرفتهاند. بیشتر انرژی خورشیدی امروزی از مزارع خورشیدی تأمین میشود و اگرچه این ممکن است گامی در مسیر درست باشد، مزارع خورشیدی دارای معایب بیشماری هستند. مزارع خورشیدی فضای عظیمی را در مناطق دورافتاده جهان اشغال میکنند؛ مزرعه خورشیدی سینکیانگ در چین را در نظر بگیرید که با ظرفیت 2800 مگاوات تا به امروز بزرگترین مزرعه است. مزارع خورشیدی در این مقیاس منجر به جابجایی حیات وحش میشوند، با وجود اینکه یکی از دلایل اصلی توسعه انرژی خورشیدی، حفاظت از محیط زیست است.
بیابانها و مراتع محیط هدف برای مزارع خورشیدی هستند، اما این محیطها اکوسیستمهای نسبتاً شکنندهای دارند، به این معنی که یک مزرعه خورشیدی میتواند برای تنوع زیستی و سلامت خاک مضر باشد. علاوه بر این، هزینههای نگهداری بالایی برای این مکانهای دورافتاده مورد نیاز است، علاوه بر زیرساختهای حمل و نقل بزرگی مانند خطوط برق که کیلومترها طول میکشند تا به نزدیکترین شهر برسند. در نتیجه، قیمت انرژی با این هزینههای اضافی افزایش مییابد.
تولید این پنلهای خورشیدی همچنین منشأ جنجالهای بزرگی در رابطه با مسائل حقوق بشر است. در کنگو، تولیدکننده شماره یک کبالت، اکثر مواد آن از طریق معادن دستی استخراج میشود. معدنچیان دستی، مواد معدنی را در معادن کوچکی که بدون نظارت هستند و از نظر ساختاری سالم نیستند، با دست استخراج میکنند. این کارگران اغلب بیش از حد کار میکنند و به طور مداوم در معرض مواد سمی و گرد و غبار ناشی از سنگهای پودر شده قرار دارند. این سیستم، ایمنی کارگران را در معرض خطر دائمی قرار داده است.
با این حال، با پنلهای خورشیدی شفاف، این مسائل از بین میروند. نصب آنها در آسمانخراشهای شهرهای از قبل تأسیسشده، هیچ پیامد زیستمحیطی اضافی، مانند آنچه در مزارع خورشیدی دیده میشود، نخواهد داشت. نصب به سادگی تعویض یک پنجره خواهد بود و مزایای زیستمحیطی آن بسیار فراتر از هر چیزی است که امروزه در مزارع خورشیدی مدرن میبینیم. از آنجایی که منبع انرژی در داخل شهر قرار خواهد گرفت، هزینههای عملیاتی به دلیل کاهش نیازهای نگهداری و حذف نیاز به زیرساختهای گسترده خطوط برق، کمتر خواهد بود. علاوه بر این، با استفاده از مواد جدید در فرآیند تولید مانند سیلیکون و "مواد آلی"، نیاز به کبالت کاهش مییابد و امیدواریم به شیوههای خطرناک استخراج معادن که جان افراد بیشماری را در معرض خطر قرار میدهد، پایان داده شود
چگونه کار میکنند؟
در حالی که واضح است که پنلهای خورشیدی شفاف نسبت به پنلهای سنتی برتری دارند، اما هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند. در ابتدا، ممکن است به نظر برسد که پنلهای خورشیدی شفاف یک ایده غیرمنطقی هستند، زیرا چگونه میتوان انرژی خورشید را جذب کرد، اما اجازه داد نور به راحتی از آنها عبور کند؟ دلیل این امر این است که پنلهای خورشیدی شفاف برای جذب مناطقی از طیف خورشیدی، مانند فرابنفش و مادون قرمز که برای چشم انسان نامرئی هستند، طراحی شدهاند و به نور اجازه عبور میدهند و در عین حال انرژی را نیز مهار میکنند.
رایجترین ماده مورد استفاده برای این فرآیند نور خورشیدی انتخابی، شیشه فتوولتائیک شفاف یا به اختصار TPV است.زمانی که نور مهار شده TPV به لبههای پنل شفاف هدایت میشود، جایی که نوارهایی از سلولهای خورشیدی، مشابه پنلهای خورشیدی سنتی، قرار گرفتهاند و میتوانند نور را به انرژی قابل استفاده تبدیل کنند محققان دانشگاه ایالتی میشیگان در خط مقدم این فناوری بودهاند و پنلهای خورشیدی شفاف با سطوح بالای راندمان ایجاد کردهاند. آنها یک "ماده جدید" متشکل از مولکولهای آلی مانند پلیپروپیلن (یک جزء لاستیکی) ایجاد کردهاند که به طور خاص برای هدف TPVها مهندسی شده است. این ماده میتواند با عبور نور مرئی در حالی که اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز جذب میشوند، انرژی را با شفافیت کامل مهار کند. همین تیم همچنین به دلیل رسانایی بالای نقره به عنوان الکترود، آن را آزمایش کرد و افزایش 10.8 درصدی راندمان را نسبت به سایر الکترودها مانند روی مشاهده کرد. با این حال، شفافیت آن تنها 48.5 درصد بود. این رفت و برگشت بین راندمان، شفافیت و مواد، نقطه تمرکز اصلی در تحقیقات پنل خورشیدی شفاف بوده است.
یک تیم تحقیقاتی در کره جنوبی کاری کاملاً متفاوت انجام میدهد که نشان میدهد هنوز چه چیزهای زیادی در این زمینه کشف نشده است. روش این تیم با قرار دادن یک لایه نازک سیلیکون، که معمولاً در سختافزار کامپیوتر استفاده میشود، بین دو نیمهرسانای اکسید فلزی شفاف آغاز میشود. آنها از طریق آزمایش، سه مزیت اصلی استفاده از سیلیکون را مشاهده کردند. اول، امکان استفاده از نور با طول موج بلندتر را فراهم میکرد و به آن اجازه میداد اشکال بیشتری از نور را در طیف خورشیدی جذب کند. دوم، منجر به جمعآوری کارآمد فوتون شد. سوم، امکان انتقال سریعتر ذرات باردار به الکترودها را فراهم میکرد، یعنی زمانی که ذرات با انرژی خورشید متصل میشوند و به سمت یک الکترود حرکت میکنند و در نتیجه اتلاف انرژی کمتری دارند . با نتایج امیدوارکننده از طریق استفاده از سیلیکون، این تیم نسبت به اجرای این فناوری در دنیای واقعی خوشبین است.
کاربردها
در حالی که پنلهای خورشیدی شفاف هنوز به یک ابتکار جهانی تبدیل نشدهاند، اما پس از تکمیل روشهای تولید، کاربردهای آنها میتواند بیپایان باشد. جدا از آسمانخراشها، این پنلها میتوانند برای گلخانهها، فضاپیماها و هر شیء دیگری با سطح شفاف استفاده شوند. یک گروه تحقیقاتی در UCLA نسخه خود از پنلهای خورشیدی شفاف را برای گلخانه آزمایش کردند و مشاهده کردند که یک سلول خورشیدی شفاف ساخته شده از مواد آلی در واقع از یک سلول خورشیدی سنتی که فقط از شیشه ساخته شده است، بهتر عمل میکند. این کاربرد پتانسیل ایجاد انقلابی در صنعت کشاورزی را دارد و به کشاورزان محصولات پربارتری میدهد و در هزینههای انرژی آنها صرفهجویی میکند.
علاوه بر این، سلولهای خورشیدی شفاف در حوزه هوافضا نویدبخش آیندهای روشن هستند. آنها میتوانند هم به عنوان پنجره و هم به عنوان منبع انرژی عمل کنند و فضاپیماها نیز از وزن سبک آنها بهرهمند خواهند شد. این کاربرد به طور خاص برای یک طرح مناسب خواهد بود که به جای سیلیکون، از یک لایه بسیار نازک از فیلمهای دیسلنید تنگستن استفاده کند که نرخ جذب بالاتری را ارائه میدهد و در عین حال بسیار سبکتر نیز هست. با توجه به رشد سریع صنعت هوافضا در قرن بیست و یکم، این فناوری نقش کلیدی در شکلدهی به فضاپیماهای آینده ایفا خواهد کرد. کاربردهای این انواع مختلف سلولهای خورشیدی شفاف نه تنها ایده خوبی از محل پیادهسازی این سلولها به ما میدهد، بلکه طیف گستردهای از کاربردهای آنها را نیز نشان میدهد. هر چیزی که به یک لایه شفاف شیشه نیاز داشته باشد، مانند شیشههای ماشین، صفحه نمایشهای الکترونیکی و حتی عینک آفتابی، همگی پتانسیل تولید برق از طریق سلولهای خورشیدی شفاف را دارند. با پتانسیل قوی، عامل بزرگی که بر موفقیت آنها تأثیر میگذارد، این خواهد بود که چقدر میتوانند به طور یکپارچه در طرحها و زیرساختهای موجود ادغام شوند.
چالشهای پیش رو
در حالی که پنلهای خورشیدی شفاف پتانسیل تسخیر جهان را دارند، چالشهای متعددی وجود دارد که باید حل شوند. اولین و گویاترین آنها روشهای مختلف تولید فعلی آنهاست. از آنجا که بخش عمدهای از این فناوری هنوز در "مرحله تحقیق" است، تیمهای تحقیقاتی روشهای مختلف ساخت و ساز را ارائه دادهاند. به عنوان مثال، تیم دانشگاه ایالتی میشیگان از یک ماده آلی استفاده میکند در حالی که تیم تحقیقاتی کرهای از سیلیکون استفاده میکند. از راندمان پنل گرفته تا مواد اصلی مورد استفاده، پنلهای خورشیدی شفاف در تنوع زیادی وجود دارند که تولید را دشوارتر میکند.
علاوه بر این، پنلهای خورشیدی شفاف در حال حاضر با سطوح راندمان بسیار پایینتری، حدود 5 تا 10 درصد، کار میکنند، در حالی که پنلهای سنتی حدود 20 تا 25 درصد راندمان دارند [8]. داشتن سطوح اثربخشی پایینتر، آنها را بسیار کمتر رقابتی میکند. در مقایسه، متقاعد کردن عموم مردم و شرکتهای بزرگ برای تغییر تنها بر اساس این واقعیت، به طور قابل توجهی چالش برانگیزتر میشود. این مسئله همچنین به موضوع مالی تبدیل میشود. از آنجا که پنلهای خورشیدی شفاف قادر به صرفهجویی در هزینه مردم به اندازه پنلهای سنتی نیستند، تغییر از نظر مالی برای مردم منطقی نیست. با توجه به اینکه معمولاً توجیه مالی مهمترین عامل است، برای پنلهای خورشیدی شفاف، با وجود مزایای زیستمحیطیشان، رقابت با پنلهای سنتی بسیار دشوارتر است.
پنلهای خورشیدی شفاف پتانسیل تغییر دنیای ما را به سمت بهتر شدن دارند. وقتی صحبت از سازگارترین بودن با محیط زیست نسبت به سایر گزینههای تجدیدپذیر، به ویژه سوختهای فسیلی، میشود، آنها برندهی قطعی هستند. حتی فرآیند تولید آنها از اکثر منابع انرژی تجدیدپذیر دیگر پاکتر است، که بیشتر بر مفید بودن این فناوری برای محیط زیست و خودمان تأکید میکند.
با این اوصاف، دو مانع اصلی بر سر راه پنلهای خورشیدی شفاف وجود دارد. اول اینکه این فناوری هنوز بسیار جدید است و در مرحلهی تحقیق و آزمایش توسعه قرار دارد، که گفتن اینکه چه روشی برای تولید جهانی آماده خواهد بود را دشوار میکند. دوم، تغییر از اکثریت سوختهای فسیلی به اکثریت انرژی تجدیدپذیر است. این امر زمان زیادی میبرد و هم مردم و هم اقتصاد باعث میشوند که این اتفاق در مدت زمان طولانی رخ دهد. درست مانند هر محصول جدید، زمان میبرد تا مردم آن را درک کنند و شرکتهای بزرگ نیز این تغییر را انجام دهند. بنابراین، اگرچه پیشرفت صعودی طولانی و کند خواهد بود، بدون شک ما را به آیندهای سوق میدهد که در آن پنلهای خورشیدی شفاف سهم عمدهای در انرژی جهانی خواهند داشت.
منابع:
https://illumin.usc.edu/transparent-solar-panels-the-future-of-energy/