عبور از حد شاکلی-کوایسر: چگونه سلول‌های خورشیدی پشت‌سرهم پروسکایت-سیلیکون بازدهی را به بیش از ۳۳ درصد می‌رسانند

توسعه‌دهندگان نیروگاه‌های خورشیدی در مقیاس شبکه، اکنون در حال مدل‌سازی اقتصاد پروژه‌های خود بر اساس یک تغییر بنیادین در معماری پنل‌ها هستند؛ چرا که سلول‌های پشت‌سرهم (تندم) در حال گذر از رکوردهای آزمایشگاهی و ورود به خطوط تولید آزمایشی تجاری‌اند. پژوهشگران با قرار دادن یک بلور مصنوعی پروسکایت (perovskite) روی پایه سیلیکونی استاندارد، سقف بازدهی نظری را که از سال ۱۹۶۱ پنل‌های خورشیدی تک‌پیوندی را محدود کرده بود، شکسته‌اند.

این رویکرد دولایه، نور آبی با انرژی بالا را در لایه بالایی و نور قرمز با انرژی پایین را در لایه پایینی جذب می‌کند و در نتیجه، توان تولیدی در هر متر مربع را نسبت به ماژول‌های تجاری پیشرفته امروزی حدود ۱۵ درصد افزایش می‌دهد.[2]

مانع فیزیکی که محرک این تغییر است، با نام حد شاکلی-کوایسر (Shockley-Queisser limit) شناخته می‌شود. این قاعده ترمودینامیکی که ۶۵ سال پیش محاسبه شده است، مقرر می‌دارد که یک سلول خورشیدی سیلیکونی استاندارد هرگز نمی‌تواند بیش از ۲۹.۴ درصد از انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل کند. سیلیکون دارای یک شکاف باند ثابت معادل ۱.۱ الکترون ولت (eV) است؛ به این معنا که در جذب نور فروسرخ و قرمز بسیار کارآمد عمل می‌کند، اما انرژی مازاد نور مرئی با فرکانس بالاتر را به شکل گرما هدر می‌دهد.

گزارش فتوولتاییک موسسه فرانهوفر (Fraunhofer ISE) در سال ۲۰۲۶ که عملکرد جهانی ماژول‌ها را رصد می‌کند، در این باره خاطرنشان می‌سازد: «شما نمی‌توانید با شکاف باند یک ماده واحد مذاکره کنید. برای عبور از آستانه ۳۰ درصدی، معماری سیستم باید طیف خورشیدی را پیش از آنکه نور به گرما تبدیل شود، تقسیم کند.»[1]

مواد پروسکایت این عدم تطابق طیفی را برطرف می‌کنند. پروسکایت‌های مصنوعی که نام خود را از ساختار بلوری خاصشان گرفته‌اند، می‌توانند از نظر شیمیایی به گونه‌ای تنظیم شوند که شکاف باند وسیع‌تری، معمولا در حدود ۱.۷ الکترون ولت، داشته باشند.

هنگامی که این ماده به عنوان یک لایه نازک مستقیما روی یک سلول سیلیکونی استاندارد رسوب داده می‌شود، لایه پروسکایت به عنوان یک فیلتر انرژی بالا عمل می‌کند. این لایه طول موج‌های آبی و سبز را جذب کرده و آن‌ها را با ولتاژ بالاتری به الکتریسیته تبدیل می‌کند، در حالی که اجازه می‌دهد نور قرمز و فروسرخ از آن عبور کرده و به لایه سیلیکونی زیرین برسد.[2]

این تقسیم طیفی، جهشی بی‌سابقه را در عملکرد آزمایشگاهی رقم زده است. آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) اخیرا بازدهی ۳۳.۹ درصدی یک سلول پشت‌سرهم پروسکایت-سیلیکون را تایید کرده است؛ رکوردی که توسط شرکت تولیدی لانجی (LONGi) به ثبت رسید. برای درک بهتر این موضوع، باید توجه داشت که سه دهه طول کشید تا صنعت جهانی خورشیدی بتواند بازدهی سیلیکون تجاری را از ۱۵ درصد به ۲۳ درصد برساند. اما معماری پشت‌سرهم در کمتر از پنج سال توسعه متمرکز، از حداکثر مطلق نظری سیلیکون عبور کرد.

اهرم اقتصادی حاصل از این افزایش بازدهی، مستقیما بر کاربری زمین و هزینه‌های تعادل سیستم (BOS) تاثیر می‌گذارد. مخارج سرمایه‌ای یک مزرعه خورشیدی به شدت به ردپای فیزیکی آن وابسته است: تملک زمین، پایه‌های نصب فولادی، سیم‌کشی مسی و نیروی کار مورد نیاز برای نصب آرایه‌ها. اگر یک پنل ۱۵ درصد برق بیشتری تولید کند، توسعه‌دهنده می‌تواند با خرید ۱۵ درصد زمین کمتر و نصب ۱۵ درصد سازه پشتیبان کمتر، دقیقا به همان ظرفیت هدف دست یابد.[2]

با این حال، گذار از سلول‌های تاییدشده آزمایشگاهی به دارایی‌های تجاری با عمر ۲۵ ساله، به دوام مواد بستگی دارد. بلورهای پروسکایت ذاتا نسبت به رطوبت، اکسیژن و قرار گرفتن مداوم در معرض پرتو فرابنفش حساس هستند. در حالی که یک ماژول سیلیکونی استاندارد با نرخ پیش‌بینی‌پذیر حدود ۰.۴ درصد در سال دچار افت کیفیت می‌شود، نسخه‌های اولیه پروسکایت در عرض چند ساعت پس از قرار گرفتن در معرض اتمسفر تخریب می‌شدند.[1]

از آن زمان، فناوری کپسوله‌سازی این مواد را تثبیت کرده است، اما استاندارد صنعت برای استقرار در مقیاس شبکه ایجاب می‌کند که یک ماژول از آزمون‌های سخت‌گیرانه تسریع پیری به سلامت عبور کند. گزارش موسسه فرانهوفر تاکید می‌کند که هر ماژول پشت‌سرهمی که وارد بازار می‌شود، باید با ضمانت ۲۵ ساله سلول سیلیکونی که روی آن قرار گرفته است مطابقت داشته باشد؛ در غیر این صورت، هزینه تراز شده انرژی (LCOE) به دلیل چرخه‌های تعویض زودهنگام در عمل افزایش خواهد یافت.[1]

یکپارچه‌سازی در فرآیند تولید، آخرین مانع پیش رو است. زنجیره تامین جهانی خورشیدی برای تولید میلیاردها ویفر سیلیکونی تک‌پیوندی بهینه‌سازی شده است. تجاری‌سازی سلول‌های پشت‌سرهم نیازمند آن است که لایه پروسکایت با استفاده از روش‌های رسوب بخار یا پوشش‌دهی شکافی (slot-die) مستقیما روی سطح بافت‌دار یک سلول سیلیکونی قرار گیرد، بدون آنکه خطوط تولید پربازده فعلی دچار اختلال شوند.

تاسیسات آزمایشی در اروپا و آسیا در حال حاضر مشغول آزمایش همین تکنیک‌های رسوب‌دهی روی ویفرهای استاندارد با اندازه‌های M10 و G12 هستند. داده‌های تولیدشده از این دوره‌های تولید اولیه در ۲۴ ماه آینده، مشخص خواهد کرد که آیا معماری پشت‌سرهم تنها یک دستاورد آزمایشگاهی باقی می‌ماند یا به فناوری پایه برای استقرار یک تراوات بعدی انرژی خورشیدی در جهان تبدیل خواهد شد.[2]