راندمان ۳۳.۷ درصدی: چرا حد شاکلی-کوایسر مرز نهایی عملکرد سلول‌های خورشیدی تک‌پیوندی است؟

در یک سوی گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر، خوش‌بینان به فناوری استدلال می‌کنند که مهندسی بی‌وقفه در نهایت به تولید پنل‌های خورشیدی‌ای منجر خواهد شد که تقریباً تمام انرژی تابشی خورشید به زمین را جذب کرده و هزینه برق را به صفر نزدیک می‌کنند. اما در سوی دیگر، فیزیک‌دانان به یک دیوار ریاضیاتی اشاره می‌کنند که در سال ۱۹۶۱ بنا شده است؛ دیواری که قاطعانه می‌گوید مهم نیست فرآیند تولید چقدر بی‌نقص باشد یا سیلیکون چقدر خالص، یک سلول خورشیدی استاندارد هرگز نمی‌تواند بیش از ۳۳.۷ درصد از این نور را به برق تبدیل کند.[1][3]

حق با فیزیک‌دانان است. حد شاکلی-کوایسر یک چالش مهندسی نیست که منتظر یک راه‌حل هوشمندانه باشد؛ بلکه یک مرز سخت ترمودینامیکی است که توسط قوانین مکانیک کوانتومی دیکته شده است. درک چرایی وجود این محدودیت، به ما نشان می‌دهد که چرا آینده انرژی خورشیدی، به‌جای تلاش برای بیرون کشیدن توان بیشتر از ویفرهای سیلیکونی استاندارد، کاملاً به مقیاس تولید و معماری‌های نوین چندلایه بستگی دارد.[1][3]

برای اینکه ببینیم چرا عبور از این مرز غیرممکن است، باید به نحوه عملکرد واقعی یک سلول فتوولتائیک نگاه کنیم. وقتی نور خورشید به یک نیمه‌رسانا برخورد می‌کند، انرژی خود را در بسته‌های مجزایی به نام فوتون تحویل می‌دهد. اگر یک فوتون انرژی کافی داشته باشد، یک الکترون را از مدار اتمی‌اش جدا کرده و یک الکترون آزاد و یک «حفره» با بار مثبت ایجاد می‌کند. حرکت همین الکترون‌ها در یک مدار است که ما آن را به‌عنوان جریان الکتریکی اندازه‌گیری می‌کنیم.[1][2]

اما نیمه‌رساناها در انتخاب فوتون‌هایی که جذب می‌کنند، سخت‌گیر هستند. هر ماده‌ای دارای یک «شکاف باند» (Bandgap) مشخص است؛ یعنی حداقل آستانه انرژی مورد نیاز برای جدا کردن یک الکترون. طبق اعلام دفتر فناوری‌های انرژی خورشیدی وزارت انرژی آمریکا، «حد شاکلی-کوایسر حداکثر راندمان تبدیل انرژی خورشیدی قابل‌دستیابی برای یک ماده خاص را توصیف می‌کند» که دقیقاً بر اساس همین شکاف باند تعیین می‌شود.[2]

اگر فوتونی با انرژی کمتر از شکاف باند به سلول برخورد کند، مانند روحی که از دیوار رد می‌شود، مستقیماً از درون ماده عبور می‌کند. این پدیده که به عنوان اتلاف عبوری شناخته می‌شود، عامل هدررفت حدود ۲۰ درصد از انرژی در یک سلول خورشیدی سیلیکونی استاندارد است. سلول به‌سادگی نمی‌تواند بخش بزرگی از طیف فروسرخ را ببیند.[1][3]

در مقابل، اگر فوتونی با انرژی بسیار بیشتر از شکاف باند از راه برسد، نیمه‌رسانا باز هم فقط همان مقدار انرژی دقیقی را که برای آزادسازی الکترون نیاز دارد، استخراج می‌کند. انرژی مازاد فوراً به‌صورت گرما از دست می‌رود؛ فرآیندی که به آن اتلاف حرارتی (Thermalization) می‌گویند. از آنجا که طیف خورشید به‌شدت گسترده است (از فروسرخ کم‌انرژی تا فرابنفش پرانرژی)، اتلاف حرارتی ۳۰ درصد دیگر از انرژی خورشیدی ورودی را می‌بلعد.[1][3]

حتی اگر انرژی یک فوتون کاملاً با شکاف باند تطابق داشته باشد، سلول نمی‌تواند تک‌تک الکترون‌های حاصل را به دام بیندازد. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، خود سلول خورشیدی باید مقداری تشعشع را به محیط بازگرداند. علاوه بر این، برخی از الکترون‌های آزادشده پیش از آنکه بتوانند به مدار الکتریکی هدایت شوند، به‌طور اجتناب‌ناپذیری دوباره با حفره‌ها ترکیب می‌شوند که این امر یک خط پایه از ناکارآمدی گریزناپذیر ایجاد می‌کند.[1]

در سال ۱۹۶۱، پژوهشگرانی به نام‌های ویلیام شاکلی و هانس کوایسر این تلفات فیزیکی اجتناب‌ناپذیر را محاسبه کردند. آن‌ها دریافتند که برای یک سلول خورشیدی تک‌پیوندی (سلولی که از یک ماده نیمه‌رسانای پیوسته ساخته شده است)، مطلقِ حداکثر راندمان تئوری در نقطه ۳۳.۷ درصد به اوج خود می‌رسد. برای رسیدن به این قله، ماده باید شکاف باندی دقیقاً معادل ۱.۳۴ الکترون‌ولت (eV) داشته باشد.[1]

سیلیکون، که بار اصلی صنعت مدرن خورشیدی را به دوش می‌کشد، دارای شکاف باندی برابر با ۱.۱ الکترون‌ولت است. از آنجا که شکاف باند آن کمی با هدف ایده‌آل ۱.۳۴ الکترون‌ولت فاصله دارد، حد تئوری خاص سیلیکون حتی از این هم پایین‌تر است و در حدود ۳۲ درصد متوقف می‌شود. هیچ میزانی از صیقل دادن، خالص‌سازی یا مهندسی نمی‌تواند یک سلول سیلیکونی استاندارد را از این عدد فراتر ببرد.[1][3]

صنعت خورشیدی در حال حاضر در حال سایش به این سقف است. طبق گزارش آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL)، رکورد فعلی جهان برای یک سلول سیلیکونی تک‌کریستال روی ۲۶.۱ درصد ایستاده است. برای آرسنید گالیم (GaAs)، ماده‌ای با شکاف باند تقریباً بی‌نقص، این رکورد ۲۹.۱ درصد است. پنل‌های تجاری تاکنون بیش از ۸۵ درصد از عملکردی را که از نظر فیزیکی برایشان ممکن است، محقق کرده‌اند.[3]

این واقعیت، یک چرخش استراتژیک را ایجاب می‌کند. از آنجا که راندمان تک‌پیوندی از نظر ریاضی به پایان راه خود رسیده است، افت شدید قیمت انرژی خورشیدی در دهه گذشته (که اغلب با قانون سوانسون توصیف می‌شود) کاملاً ناشی از صرفه‌جویی در مقیاس، زنجیره‌های تامین ارزان‌تر و تولید خودکار بوده است، نه تغییرات بنیادین در راندمان سیلیکون.[3]

تنها راه فیزیکی برای شکستن حد شاکلی-کوایسر، شکستن محدودیت اصلی آن است: پیوند یگانه. دانشمندان مواد اکنون در حال لایه‌بندی نیمه‌رساناهای مختلف روی یکدیگر هستند تا «سلول‌های تاندم» (Tandem) را خلق کنند. با قرار دادن یک ماده با شکاف باند بالا مانند پروسکایت روی ماده‌ای با شکاف باند پایین مانند سیلیکون، سلول می‌تواند فوتون‌های پرانرژی را در لایه بالا و فوتون‌های کم‌انرژی را در لایه پایین با راندمان بالا جذب کند.[2]

معماری‌های تاندم از نظر تئوری حد راندمان را به بیش از ۴۰ درصد می‌رسانند، اما پیچیدگی‌های شدید در تولید و مشکلات دوام را به همراه دارند که سیلیکون استاندارد دهه‌ها پیش آن‌ها را حل کرده است. بحث بر سر اینکه آیا باید به دنبال سلول‌های تاندم با راندمان بالا بود یا صرفاً میلیاردها پنل سیلیکونی ارزان‌قیمت با راندمان ۲۲ درصد تولید کرد، تعیین‌کننده‌ترین پرسش اقتصادی در چشم‌انداز انرژی‌های تجدیدپذیر در سال ۲۰۲۶ است.[3]

مرز ۳۳.۷ درصدی همچنان مهم‌ترین عدد در فیزیک انرژی‌های تجدیدپذیر است. این عدد تضمین می‌کند که یک پنل خورشیدی تک‌لایه همیشه دوسوم نور خورشیدی را که به آن می‌تابد، هدر خواهد داد. با پذیرش این واقعیت ترمودینامیکی، گذار جهانی انرژی می‌تواند دست از تعقیب معجزات غیرممکن بردارد و بر لجستیک قدرتمندِ پوشش دادن مساحت بیشتر با همین فناوری‌ای که اکنون در اختیار داریم، متمرکز شود.[1][3]