خورشید در هر ثانیه به اندازه‌ای انرژی به زمین می‌تابد تا کل انرژی مورد نیاز انسان را برای بیش از دو ساعت برآورده کند. با توجه به اینکه انرژی خورشیدی به راحتی در دسترس و قابل تجدید است، منبع انرژی جذابی است.

با این حال، تا سال ۲۰۱۸، کمتر از دو درصد از انرژی جهان از خورشید تامین می شد. از نظر تاریخی، برداشت انرژی خورشیدی گران و نسبتاً ناکارآمد بوده است.

با این حال، حتی این استفاده ناچیز از خورشید نیز نسبت به دو دهه گذشته بهبود یافته است، زیرا میزان انرژی جمع‌آوری‌شده از انرژی خورشیدی در سراسر جهان از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۹ بیش از ۳۰۰ برابر شده است.

پیشرفت‌های فن‌آوری جدید در طول بیست سال گذشته نوید این را می دهد که این استفاده از خورشید را با کاهش بیشتر هزینه ها و افزایش کارایی پنل های خورشیدی افزایش دهد.

سلول های خورشیدی: هزینه ها، چالش ها و طراحی

در طول ۲۰ سال گذشته، هزینه های مرتبط با سلول های خورشیدی، ساختارهایی که قادر به تبدیل انرژی نور به الکتریسیته هستند، به طور پیوسته در حال کاهش بوده است.

آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر، یک آزمایشگاه دولتی ایالات متحده که فناوری سلول های خورشیدی را مطالعه می کند، تخمین می زنند که هزینه های سخت شامل هزینه های سخت افزار سلول های خورشیدی فیزیکی و هزینه های نرم، که شامل نیروی کار یا هزینه های اخذ مجوزهای دولتی مورد نیاز است، تقریباً برابر است

هزینه‌های نرم کاهش یافته است زیرا مصرف‌کنندگان بالقوه و کارشناسان نصب سلول‌های خورشیدی جدید بیشتر است، بنابراین شرکت‌ها می‌توانند سلول‌های خورشیدی را به صورت عمده تولید کرده و به راحتی نصب کنند.

هزینه های سخت کمتر از نیمی از آنچه در سال ۲۰۰۰ بود است،این موضوع بیشتر به دلیل کاهش هزینه های مواد و افزایش توانایی سلول ها در جذب نور است.

مهندسی سلول‌های خورشیدی مقرون‌به‌صرفه‌تر و کارآمدتر، علاوه بر طراحی خلاقانه، مستلزم بررسی دقیق فیزیک درگیر در جذب خورشیدی است.از آنجایی که سلول‌های خورشیدی برای تبدیل نور به الکتریسیته استفاده می‌شوند، باید از موادی تشکیل شوند که در جذب انرژی از نور خوب باشند.

این ماده را می توان بین دو صفحه فلزی قرار داد که الکتریسیته گرفته شده از انرژی نور را به جایی که مورد نیاز است حمل می کند، مانند چراغ های یک خانه یا ماشین آلات یک کارخانه.

انتخاب ماده مناسب برای گرفتن نور شامل اندازه گیری تفاوت بین دو سطح انرژی به نام نوار ظرفیت و نوار هدایت است.

نوار ظرفیت کم انرژی با بسیاری از ذرات کوچک با بار منفی به نام الکترون پر شده است، اما نوار رسانایی با انرژی بالاتر عمدتا خالی است.

هنگامی که الکترون ها با ذرات نور به نام فوتون برخورد می کنند، می توانند انرژی کافی برای پرش از نوار رسانایی کم انرژی به نوار ظرفیت پرانرژی جذب کنند.

هنگامی که در نوار ظرفیت قرار می گیرد، انرژی اضافی در الکترون می تواند به عنوان الکتریسیته برداشت شود. گویی الکترون‌ها در پایین تپه‌ای (نوار رسانش) نشسته‌اند و فوتونی با آنها برخورد می‌کند که به آنها انرژی می‌دهد تا به بالا (نوار والانس) بپرند.مقدار انرژی لازم برای پرش الکترون ها به باند ظرفیت بستگی به نوع ماده دارد. اساساً، اندازه تپه استعاری بر اساس خواص یک ماده معین متفاوت است.

اندازه این شکاف انرژی مهم است، زیرا بر میزان کارآمدی سلول‌های خورشیدی که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، تأثیر می‌گذارد. به طور خاص، اگر فوتون‌ها با انرژی کمتری به الکترون‌ها برخورد کنند که الکترون برای پرش از نوار ظرفیت به نوار رسانش نیاز دارد، اصلا انرژی نور جذب نمی‌شود.

از طرف دیگر، اگر نور انرژی بیشتری از آنچه برای غلبه بر آن شکاف لازم است داشته باشد، الکترون انرژی دقیق مورد نیاز خود را جذب می کند و باقیمانده را هدر می دهد. هر دوی این سناریوها منجر به ناکارآمدی در برداشت خورشیدی می‌شود و انتخاب مواد سلول خورشیدی را مهم می‌سازد.

از لحاظ تاریخی، سیلیکون محبوب ترین ماده برای سلول های خورشیدی بوده است

یکی از دلایل این محبوبیت در اندازه شکاف بین نوارهای رسانایی و ظرفیت سیلیکون نهفته است، زیرا انرژی اکثر ذرات نور بسیار نزدیک به انرژی مورد نیاز الکترون‌های سیلیکون برای پرش از شکاف انرژی است.

از نظر تئوری، حدود ۳۲ درصد از انرژی نور را می توان با یک سلول خورشیدی سیلیکونی به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. این ممکن است زیاد به نظر نرسد، اما به طور قابل توجهی کارآمدتر از سایر مواد است.

علاوه بر این، سیلیکون نیز ارزان است. این یکی از فراوان‌ترین عناصر روی زمین است و هزینه پالایش آن از سال ۱۹۸۰ به‌طور چشمگیری کاهش یافته است.

صنایع سلول‌های خورشیدی و الکترونیک باعث کاهش هزینه‌های تصفیه شده‌اند، زیرا آنها تکنیک‌های تصفیه فله بهتری را برای افزایش تقاضای سلول‌ها‌ی ‌خورشیدی و لوازم الکترونیکی مصرفی یاد گرفته‌اند.

علاوه بر کاهش هزینه‌های مواد، ترفندهای مهندسی هوشمندانه، کارایی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی را به حداکثر تئوری نزدیک‌تر می‌کنند.

برای اینکه فوتون ها به انرژی تبدیل شوند، ابتدا باید با یک الکترون برخورد کنند. یک ترفند برای افزایش احتمال برخورد فوتون/الکترون شامل الگوبرداری از سیلیکون سلول های خورشیدی به شکل هرم میکروسکوپی است. هنگامی که نور به یک هرم جذب می شود، بیشتر حرکت می کند و احتمال برخورد نور با الکترون های موجود در سیلیکون را قبل از فرار از سلول افزایش می دهد.

در تاکتیکی مشابه، شیمی‌دانان و دانشمندان مواد، پوشش‌های ضد انعکاس را برای قرار دادن در جلوی سلول‌های خورشیدی طراحی کرده‌اند تا از بازتاب نور مفید به فضا بدون برخورد با الکترون به سلول خورشیدی جلوگیری کنند. به همین ترتیب، قرار دادن یک بازتابنده در پشت سلول خورشیدی نیز اجازه می دهد تا نور بیشتری برداشت شود.

نوری که به سلول خورشیدی می‌رسد و بدون برخورد با الکترون آن را تا پشت سر می‌رساند، به جلوی سلول منعکس می‌شود و به سلول فرصت دیگری برای جمع‌آوری نور می‌دهد.

در حال حاضر، هزینه سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون به کاهش خود ادامه می دهد و علیرغم پیش بینی ها برعکس، هزینه خود سیلیکون همچنان در حال کاهش است. سلول های خورشیدی سیلیکونی احتمالاً تا چند سال آینده محبوب باقی خواهند ماند.

جایگزین‌هایی برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی ساخته شده‌اند، اما به اندازه کافی از نظر تجاری قابل دوام نیستند.

آینده سلول های خورشیدی

برای پیشی گرفتن از سلول‌های خورشیدی فعلی، یک طرح جدید باید بتواند نور بیشتری را جذب کند، انرژی نور را به طور موثرتری به الکتریسیته تبدیل کند و/یا هزینه ساخت کمتری نسبت به طرح‌های فعلی داشته باشد.

تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان انرژی در صورتی که انرژی تولید شده به همان اندازه یا کم‌هزینه‌تر از سایر اشکال الکتریسیته، اغلب غیرقابل تجدید، باشد، به احتمال زیاد از انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند، بنابراین هر گونه بهبود در طرح‌های فعلی سلول‌های خورشیدی باید هزینه‌های کلی را کاهش دهد تا به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد.

گزینه اول، اضافه کردن سخت افزاری که به سلول های خورشیدی اجازه می دهد نور بیشتری جذب کنند، در واقع نیازی به کنار گذاشتن طرح های سلول خورشیدی فعلی ندارد. وسایل الکترونیکی را می توان با سلول خورشیدی نصب کرد که به سلول اجازه می دهد خورشید را هنگام حرکت در آسمان روز ردیابی کند.

اگر سلول خورشیدی همیشه به سمت خورشید باشد، فوتون های بیشتری نسبت به زمانی که فقط در حوالی ظهر به سمت خورشید باشد، به آن برخورد خواهد کرد.

در حال حاضر، طراحی لوازم الکترونیکی که بتواند موقعیت خورشید را به طور دقیق و پیوسته برای چندین دهه با هزینه معقول ردیابی کند، یک چالش مداوم است، اما نوآوری در این زمینه همچنان ادامه دارد. یک جایگزین برای حرکت سلول خورشیدی، استفاده از آینه برای تمرکز نور بر روی یک سلول خورشیدی کوچکتر و در نتیجه ارزانتر است.

یکی دیگر از راه‌های بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی، هدف قرار دادن کارایی آنهاست تا در تبدیل انرژی نور خورشید به الکتریسیته بهتر عمل کنند.

سلول های خورشیدی با بیش از یک لایه مواد جذب کننده نور می توانند فوتون های بیشتری نسبت به سلول های خورشیدی تنها با یک لایه جذب کنند.

اخیراً سلول های خورشیدی آزمایش شده در آزمایشگاه با چهار لایه می توانند ۴۶ درصد از انرژی نور ورودی را که به آنها برخورد می کند جذب کنند.

این سلول ها هنوز هم اغلب بسیار گران هستند و ساخت آنها برای استفاده تجاری دشوار است، اما تحقیقات مداوم ممکن است روزی پیاده سازی این سلول های فوق کارآمد را ممکن کند.

جایگزینی برای بهبود کارایی سلول های خورشیدی، صرفاً کاهش هزینه آنها است.

اگرچه پردازش سیلیکون در چند دهه گذشته ارزان‌تر شده است، اما همچنان به طور قابل توجهی در هزینه نصب سلول‌های خورشیدی نقش دارد. با استفاده از سلول های خورشیدی نازک تر، هزینه های مواد کاهش می یابد.

این «سلول‌های خورشیدی لایه نازک» از لایه‌ای از مواد برای برداشت انرژی نور استفاده می‌کنند که ضخامت آن تنها ۲ تا ۸ میکرومتر است، یعنی تنها حدود ۱ درصد از آنچه برای ساخت یک سلول خورشیدی سنتی استفاده می‌شود.

درست مانند سلول‌های چند لایه، ساخت سلول‌های خورشیدی لایه نازک کمی دشوار است که کاربرد آنها را محدود می‌کند، اما تحقیقات در حال انجام است.

در آینده نزدیک، سلول های خورشیدی سیلیکونی احتمالاً به کاهش هزینه ادامه می دهند و در تعداد زیادی نصب می شوند. در ایالات متحده، پیش بینی می شود که این کاهش هزینه ها باعث افزایش حداقل ۷۰۰ درصدی انرژی خورشیدی تا سال ۲۰۵۰ شود.

در همین حال، تحقیقات در مورد طرح های جایگزین برای سلول های خورشیدی کارآمدتر و ارزان تر ادامه خواهد یافت. سال‌ها بعد، احتمالاً شاهد ظهور جایگزین‌هایی برای سیلیکون در مزارع و پشت بام‌های خورشیدی خواهیم بود که به تأمین منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر کمک می‌کند.

این پیشرفت‌ها با افزایش تولید عمده سلول‌های خورشیدی و فناوری‌های جدید که سلول‌ها را ارزان‌تر و کارآمدتر می‌کنند، ممکن شده و ادامه خواهد یافت.​