سلول های خورشیدی چاپ شده

سلول های خورشیدی چاپ شده (Printed-Inkjet solar cell) سلول های خورشیدی ای هستند که با روش های کم هزینه و با فناوری بالا تولید می‌شوند و از چاپگر جوهرافشان سه بعدی برای چاپ مواد نیمه‌رسانا و الکترودها بر روی بستر سلول خورشیدی (لایه‌های زیرین آن) استفاده می‌کنند.

این رویکرد به‌طور مستقل، در مکان‌های مختلفی از جمله دانشگاه نیو ساوت ولز، دانشگاه ایالتی اورگان، مؤسسه فناوری ماساچوست، و مؤسسه تکنولوژی سؤول، به طرز خیلی سریعی توسغه یافت و در این تحقیقات گسترده، علاقهٔ زیادی در کارایی، به دلیل ماهیت قابل پردازش بودن محلول‌ها در روند چاپ، شکل گرفت.

به‌طور کلی سلول‌های خورشیدی پرینت شده، با استفاده از چاپگر جوهرافشان برای قرار دادن مواد نیمه هادی و الکترودها بر روی یک بستر سلول خورشیدی ساخته می‌شوند، سلول های خورشیدی آلی و غیر آلی، هر دو را می‌توان با استفاده از روش جوهر افشان ساخت.

سلول‌های خورشیدی غیر آلی چاپ جوهرافشان، عمدتاً سلول‌های خورشیدی CIGS هستند و سلول‌های خورشیدی آلی، پلیمری هستند... چاپ جوهر افشان سلول‌های خورشیدی هیبریدی پروسکایت نیز امکان‌پذیر است.

مهمترین جزء جوهر، ماده کاربردی است: مخلوط نمک فلزی (مس، ایندیوم، گالیم و سلنیوم)، ترکیب پلیمری فولرن (سلول‌های خورشیدی پلیمری) یا پیش ساز نمک‌های آلی و معدنی مخلوط. (سلول‌های خورشیدی پروسکایت)

این اجزا در یک حلال مناسب حل می‌شوند؛ ممکن است اجزای دیگری اضافه شوند تا بر ویسکوزیته و کشش سطحی جوهر، تأثیر بگذارند تا قابلیت چاپ و خیس شدن روی بستر را بهبود بخشند و جوهر در یک کارتریج قرار دارد که از آنجا به یک بستر منتقل می‌شود که می‌تواند متفاوت باشد.

چاپ، معمولاً توسط یک درایور پیزوالکتریک در نازل‌های رویین، انجام می‌شود که برای اعمال الگوهای فشار از پیش تنظیم شده برای بیرون ریختن قطرات برنامه‌ریزی شده است... در بیشتر موارد چندین لایه از مواد کاربردی روی هم قرار می‌گیرند تا یک سلول خورشیدی فعال (با بازده بیشتر) تولید کنند.

کل فرایند چاپ را می‌توان در شرایط محیطی (نه چندان سخت) انجام داد، اگر چه در بیشتر موارد به عملیات حرارتی بیشتری نیاز است! فاکتورهای مهم برای کارایی سلول‌های خورشیدی آلی در چاپ جوهر افشان، زمان تأخیر جوهرافشان، دمای جدول چاپ جوهر افشان و تأثیر خواص شیمیایی دَهَنده‌یِ پلیمر است.

سلول‌های خورشیدی چاپ شده برای اولین بار در یک محیط عمومی آزمایش شدند تا به آمادگی تجاری سازی (فروش) نزدیک می‌شود، این فناوری که که بسیار سبک وزن، فوق العاده انعطاف پذیر، قابل بازیافت و ارزان برای تولید است تعامل بسیاری بین زیبایی و روشنایی ایجاد می کند. (این ماده، از نظر ضخامت و ظاهر شبیه به یک تراشه است، با استفاده از چاپگرهای معمولی تولید می شود)

جزء کلیدی ماژول های جدید، یک رنگ آلی است که در ترکیب با نانوذرات نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کند و به دلیل اندازه کوچک نانوذرات، ماژول ها نیمه شفاف هستند... این جنبه آنها را برای یکپارچه سازی نما مناسب می کند.

می توان ماژول ها را در رنگ های مختلف تولید کرد یا حتی تصاویر یا متن را روی ماژول چاپ کرد تا به عنوان یک عنصر تزئینی عمل کند، این گزینه های طراحی طیف کاملاً جدیدی از برنامه های ممکن را باز می کنند.

به جای نصب ماژول خورشیدی بر روی سقف یک ساختمان، ماژول تولید کننده برق می تواند در نمای شیشه ای ادغام شود و با استفاده از این روش، فناوری جدید نه تنها از ورود نور مستقیم خورشید به داخل ساختمان جلوگیری می کند، بلکه همزمان برق تولید می کند.

آندریاس هینش، فیزیکدان می گوید: ما سلول خورشیدی رنگی را رقیبی برای سلول های سیلیکونی معمولی نمی بینیم و نمونه های اولیه ماژول تنها به بازده چهار درصدی دست می یابند که در مقایسه با عملکرد سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی برای کاربردهای پشت بام کافی نیست و از سوی دیگر، سلول‌های خورشیدی رنگی دارای مزیت آشکاری در مورد یکپارچه‌سازی و زیبایی نما هستند.

فیلم مولد الکتریسیته نازک ویفر که بین دو صفحه شیشه ای قرار دارد از نانوذرات تولید شده و با استفاده از روش چاپ روی صفحه اعمال می شود و این تکنیک امکان ادغام هر تصویر دلخواه را بر روی ماژول های خورشیدی فراهم می کند.

نمای شیشه ای ساخته شده از این ماده را می توان یک طراحی تزئینی و تبلیغاتی موثر، مانند یک لوگوی رنگارنگ شرکت، ارائه داد و در عین حال برق را وارد چزخه تولید انرژی نمود کرد.

ماژول خورشیدی رنگی هنوز یک نمونه اولیه است و محققان آن را همراه با شرکای صنعتی در پروژه های انرژی خورشیدی آزمایش و به دنبال تأمین مالی برای توسعه آن هستند.

یکی از چالش‌های خاص که توسط فناوری جدید ایجاد می‌شود این است که شکاف باریک بین دو لایه شیشه‌ای باید به‌صورت کامل مهر و موم شود تا هیچ هوایی نتواند وارد آن شود و مواد واکنش‌دهنده داخل را از بین ببرد.

کارشناسان راه حل ویژه ای برای این مشکل ارائه کرده اند، آن ها به جای استفاده از چسب پلیمری، تصمیم گرفته اند با فریت شیشه کار کنند و برای این منظور، پودر شیشه به صورت صفحه نمایش بر روی شیشه ها چاپ می شود و در دمای حدود 600 درجه سانتیگراد با آنها ذوب می شود.

آزمایش‌های استحکام مواد در شرایط مختلف آب و هوایی نشان داده‌اند که سلول‌های خورشیدی حتی پس از چندین هزار ساعت همچنان به درستی کار می‌کنند و با این حال، ثبات بلندمدت به عنوان امر ضروری، هنوز به طور رسمی تأیید نشده است.

راه حل چاپ دیجیتال

رویکردی نوآورانه برای استفاده از فناوری خورشیدی، که در آن طراحی و عملکرد انرژی به لطف فناوری IMAGE GLASS در کنار هم قرار می‌گیرند و این بدان معناست که دیگر مجبور نیستید بین یک نمای بیرونی زیبا و تولید انرژی یکی را انتخاب کنید.

این فناوری تعادل کاملی بین طراحی و کارایی ایجاد می کند، در حالی که شیشه های رنگی ممکن است تاثیر کمی بر کارایی پنل های خورشیدی داشته باشد، مطمئن باشید که انرژی خروجی سیستم با حفظ زیبایی ظاهری شما بهینه می شود و به عبارت دیگر، شما بهترین های هر دو جهان را دریافت می کنید: یک راه حل خورشیدی زیبا و کم مصرف.

رنگ های ماندگار

پنل های خورشیدی رنگی دارای رنگ های سرامیکی هستند که در برابر اشعه ماوراء بنفش و محو شدن مقاوم هستند، آنها بر روی شیشه سکوریت چاپ می شوند و اطمینان حاصل می کنند که ساختمان شما یک منبع انرژی جذاب و کاربردی برای چندین سال باقی می ماند.

رنگ ها به گونه ای طراحی شده اند که در آزمون زمان مقاومت کنند و جذابیت بصری ملک شما را حفظ کنند.

تعمیر و نگهداری کم هزینه

یکی از مزایای قابل توجه این فناوری نیاز به هزینه پایین نگهداری آن است و پنل های خورشیدی دارای پوشش های نانو ضد آلودگی هستند که تجمع گرد و غبار و کثیفی را در سطح ماژول به حداقل می رساند و این بدان معنی است که می توانید از زیبایی و مزایای فناوری خورشیدی، بدون دردسر تمیز کردن و هزینه نگهداری بالا لذت ببرید.

دوام و مقاومت

این فناوری دارای طراحی مقاوم در برابر خوردگی است که برای شرایط آب و هوایی مختلف مناسب است و با استفاده از شیشه، یک ماده طبیعی و زیست‌محیطی که نسل‌ها محبوب بوده است، همراه با فولاد ضد زنگ، حفاظت پایدار و تولید انرژی خورشیدی کارآمد فراهم می‌شود.

پانل های خورشیدی رنگارنگ برای نماهای خورشیدی و عناصر ساختمان

از سیاه کامل تا سفید برفی، تنوع رنگ های پنل های خورشیدی جایی است که این فناوری را متمایز می کند، تولید کننده های مصالح خورشیدی فتوولتائیک (BIPV) برای ساختمان های تجاری و مسکونی با توجه به نیاز بازار و توانایی های خود طیف گسترده ای از رنگ ها را در طراحی و ساخت ماژول‌های خورشیدی خود برای معماران و پیمانکاران ساختمانی تبدیل می‌کند.

همچنین تجربه طولانی تولید کننده گان در ارائه راه حل های خورشیدی سفارشی برای پروژه های BIPV گزینه های بی حد و حصری را برای سفارشی سازی پنل های خورشیدی به مشتریان ارائه می دهد.

مزایای انتخاب ماژول های خورشیدی رنگی برای ساختمان ها و عناصر ساختمانی با انرژی فعال، شهرهای آینده را نه تنها با طراحی استثنایی، بلکه برای حرکت به سمت بهره وری مصرف انرژی توانمند می کند و ادغام بیهوده انرژی سبز ردپای کربن و انتشارات گلخانه ای ساختمان ها را تا حد زیادی کاهش می دهد.

سفارشی سازی احتمالی

همه ماژول‌های خورشیدی در سبک های مختلف هستند، با امکان سفارشی سازی در طراحی:

• اندازه و شکل

• رنگ شیشه، سلول های خورشیدی و شفافیت

• آرایش سلولی و تمایز در شکاف

• ضخامت و وزن

• کارایی و جعبه اتصال

• پوشش

• سازگاری با نصب های مختلف (روش های نصب)

پنل های خورشیدی رنگارنگ می توانند این فناوری را جذاب تر کنند

پنل های خورشیدی دیگر فقط برای پشت بام ها نیستند - برخی از ساختمان ها حتی این سازه های تولید کننده انرژی را در سرتاسر نمای خود استفاده می کنند - اما از آنجایی که ساختمان‌ها و فضاهای عمومی بیشتری از فناوری‌های فتوولتائیک استفاده می‌کنند، رنگ سیاه یکنواخت یا پنل های خورشیدی رنگارنگ بسیار مورد توجه طراحان و معماران قرار گرفته است.

پنل‌های خورشیدی معمولاً رنگ مشکی و تیره ای دارند زیرا وظیفه آنها جذب نور است، در حالی که یک اتومبیل قرمز، قرمز به نظر می‌رسد زیرا پوشش آن به جای جذب نور قرمز را منعکس می‌کند.

در گذشته بیشتر تلاش ها برای رنگ دادن به ماژول های خورشیدی باعث کاهش توانایی آنها در جذب نور و تولید انرژی می شد و یک جایگزین، استفاده از منابع ساختاری رنگ است که از اشکال میکروسکوپی استفاده می کنند تا فقط بخش بسیار باریک و انتخابی نور را منعکس کنند، مانند فلس های روی بال های پروانه ها.

با این حال، فناوری‌های قبلی که تلاش می‌کردند رنگ ساختاری را ترکیب کنند، رنگین کمان نامطلوبی به پنل‌ها می‌داد یا اجرای آن در مقیاس بزرگ گران و پر هزینه بود، بنابراین محققان می خواستند راهی برای رنگ دادن به صفحات خورشیدی با استفاده از یک ماده ساختاری ایجاد کنند که استفاده از آن آسان و ارزان باشد و تواناییماژول های خورشیدی را در تولید انرژی کارآمد را حفظ کند.

یک لایه نازک از ماده ای به نام شیشه فوتونیک را روی سطوح سلول های خورشیدی اسپری کردند و شیشه از یک لایه نازک و نامنظم از کره های سولفید روی میکروسکوپی دی الکتریک ساخته شده بود، اگرچه بیشتر نور می‌توانست از شیشه فوتونیک عبور کند، رنگ‌های انتخابی بر اساس اندازه کره‌ها منعکس می‌شوند.

با استفاده از این رویکرد، محققان پنل‌های خورشیدی ای ایجاد کردند که رنگ‌های آبی، سبز و بنفش به خود گرفتند و تنها بازده تولید برق را از ۲۲.۶ درصد به ۲۱.۵ درصد کاهش دادند، آنها همچنین دریافتند که پنل های خورشیدی تولید شده با این لایه شیشه‌ای فوتونیک، رنگ و عملکرد خود را در طول آزمایش‌های دوام استاندارد حفظ می‌کنند و می‌توان ساخت آن را افزایش داد، محققان قصد دارند راه‌هایی را برای اشباع‌تر کردن رنگ‌ها و همچنین روش‌هایی برای دستیابی به طیف وسیع‌تری از رنگ‌ها بررسی کنند.

تاریخچه تولید پنل های خورشیدی با چاپگرهای جوهرافشان

اولین مورد از لوازم الکترونیکی چاپی در سال ۱۹۰۳ مشاهده شد، زمانی که آلبرت هانسون حق اختراعی، برای سیم چاپی ثبت کرد و پس از آن، رادیو، صنعت الکترونیک چاپی را به جلو سوق داد و تا همین اواخر از چاپگرهای جوهرافشان در صنعت الکترونیک چاپی استفاده زیادی نمی‌شد.

صنعت به دلیل هزینه کم بودن و انعطاف‌پذیری در استفاده، تصمیم گرفت به سمت چاپ جوهرافشان، به وسیله پرینترهای مخصوص (۳ بعدی) حرکت کند، یکی از این موارد، سلول‌های خورشیدی جوهرافشان است و اولین نمونه از ساخت یک سلول خورشیدی با یک چاپگر جوهر افشان توسط کونارکا (Konarka) در سال ۲۰۰۸ بود.

در سال ۲۰۱۱، دانشگاه ایالتی اورگان، توانست راهی برای ایجاد سلول‌های خورشیدی CIGS (ترکیب نیمه‌رساناهایی از جنس مس، ایندیم، گالیم و سلنیوم) با استفاده از یک چاپگر جوهر افشان، کشف کند.

در همان سال MIT توانست با استفاده از یک چاپگر جوهرافشان بر روی کاغذ، سلول خورشیدی ایجاد کند. استفاده از چاپگر جوهر افشان برای ساخت سلول‌های خورشیدی بسیار جدید، و در حال تحقیق است.

در سال ۲۰۱۴، اولگا مالینکیویچ فرایند تولید چاپ جوهر افشان خود را برای صفحات پروسکایت در بوستون (ایالات متحده آمریکا)، در طول نشست پاییز MRS ارائه کرد - که برای آن جایزه نوآوران زیر ۳۵ سال بررسی فناوری MIT را دریافت کرد.

مزایا

مزیت اصلی چاپ سلول‌های خورشیدی با چاپگر جوهر افشان، هزینه پایین تولید آنهاست و دلیل ارزان‌تر بودن آن نسبت به روش‌های دیگر، عدم نیاز به خلاء (در روش ساخت سلول‌های عادی، به کمک خلاء است) که باعث ارزان‌تر شدن تجهیزات می‌شود. (هزینه تولید آن کمتر از 10 دلار در هر متر مربع است)

سرعت بسیار بالا در تولید که با تجهیزاتی در مقیاس تجاری و صنعتی، قادر به تولید کیلومترها ماژول خورشیدی در روز هستند. (هیچ فناوری انرژی تجدیدپذیر دیگری را نمی توان به این سرعت تولید کرد)

همچنین، جوهر، یک ترکیب نمک فلزی کم هزینه است که هزینه سلول‌های خورشیدی را کاهش می‌دهد و در مقایسه با روش‌های دیگر، مانند رسوب فاز بخار هنگام استفاده از چاپگرهای جوهر افشان برای گذاشتن مواد نیمه هادی، مواد بسیار کمی هدر می‌رود.

این به این دلیل است که چاپگر قادر است با ضایعات کمی الگوبرداری دقیق را ایجاد کند و برخی از سلول‌های خورشیدی جوهرافشان از ترکیب ماده CIGS استفاده می‌کنند که کارایی خورشیدی بیشتری نسبت به پنل‌های خورشیدی سیلیکونی سنتی دارد.

استفاده از CIGS به دلیل کمیاب بودن برخی از مواد موجود در آن، داشتن ضایعات کم را بسیار مهم می‌کند و این روش همچنین سازگار با محیط زیست است زیرا مانند روش‌های دیگر نیازی به استفاده از مواد شیمیایی سمی برای آماده‌سازی سلول خورشیدی، ندارد.

یکی دیگر از مزیت متمایز نسبت به پنل های سیلیکونی سنتی، قابلیت بسیار بالا در بازیافت است. (بیش از 99 درصد از پنل های متشکل از PET را می توان بازیافت کرد)

معایب

راندمان سلول‌های خورشیدی جوهر افشان بسیار پایین است که از نظر تجاری قابل دوام نیستند، حتی اگر کارایی بهتر شود، مواد مورد استفاده برای سلول‌های خورشیدی می‌توانند مشکل ساز شوند.

ایندیم یک ماده نادر است که در این سلول‌ها استفاده می‌شود و طبق استفاده فعلی ما می‌تواند ظرف ۱۵ سال از بین برود... مسئله دیگر، ایجاد جوهر مقاوم در برابر آب و هوا است که بتواند در شرایط سخت دوام بیاورد که این نیز از سری مشکلات پیش رو برای تهیه و ساخت این نوع از پنل‌ها می‌شود.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.