سقف سخت ۳۳.۷ درصدی: چرا اصل شاکلی-کوییسر سلول‌های خورشیدی تک‌پیوندی را ذاتاً ناکارآمد می‌کند؟

برای اینکه یک پنل خورشیدی برق تولید کند، فوتون ورودی باید دقیقاً انرژی کافی برای جدا کردن یک الکترون در طول شکاف باند یک ماده نیمه‌رسانا را به همراه داشته باشد. اگر انرژی فوتون خیلی کم باشد، مستقیماً از سلول عبور می‌کند؛ اگر خیلی زیاد باشد، انرژی اضافی فوراً به‌صورت گرمای اتلافی هدر می‌رود. این گلوگاه بنیادین ترمودینامیکی - که نخستین بار در سال ۱۹۶۱ توسط فیزیکدانان ویلیام شاکلی (William Shockley) و هانس-یواخیم کوییسر (Hans-Joachim Queisser) محاسبه شد - دیکته می‌کند که یک سلول خورشیدی تک‌پیوندی استاندارد هرگز نمی‌تواند بیش از ۳۳.۷ درصد از انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل کند. امروز، پس از دهه‌ها بهبود سریع در تولید، صنعت جهانی خورشیدی با شدت تمام در حال برخورد با این سقف نظری است.[4]

استدلال در اینجا کاملاً سرراست است: سیلیکون تک‌پیوندی، یعنی همان اسب بارکش بلامنازع در گذار جهانی انرژی، به پایان مسیر ترمودینامیکی خود رسیده است. پنل‌های مونوکریستال تجاری در حال حاضر در شرایط واقعی بازدهی حدود ۲۴ درصد دارند. نزدیک کردن آن‌ها به حداکثر نظری ۳۳.۷ درصد، نیازمند تکنیک‌های تولیدی است که به‌طور تصاعدی گران‌تر تمام می‌شوند، در حالی که بازده نهایی آن‌ها به‌سرعت رو به کاهش است. راه جایگزین این است که معماری تک‌پیوندی را به‌طور کامل کنار بگذاریم و به سراغ سلول‌های چندپیوندی یا «تاندم» برویم - یعنی قرار دادن مواد مختلف روی یکدیگر برای جذب بخش‌های متفاوتی از طیف خورشیدی.[1][4][5]

معماری‌های تاندم از نظر ریاضی حد شاکلی-کوییسر را در هم می‌شکنند و سقف نظری را برای یک سلول دولایه به ۴۲ درصد و برای یک سلول سه‌لایه به رقم خیره‌کننده ۴۹ درصد افزایش می‌دهند. اما این گذار، یک مسئله حل‌شده فیزیک را با یک مشکل بسیار پیچیده در تولید و دوام معاوضه می‌کند. قوی‌ترین استدلال متقابل در برابر انقلاب تاندم این است که یک پنل سیلیکونی با بازدهی کمی پایین‌تر که با اطمینان ۳۰ سال دوام می‌آورد، از نظر اقتصادی برتر از یک سلول تاندم پروسکایت-سیلیکون با بازدهی بالاست که در عرض پنج سال به‌سرعت تخریب می‌شود. تامین‌کنندگان مالی پروژه‌ها ریسک را در بازه‌های چنددهه‌ای مدل‌سازی می‌کنند و مواد اثبات‌نشده متغیرهایی را وارد بازی می‌کنند که بازارهای سرمایه را به‌شدت نگران می‌سازد.[5]

برای درک اینکه چرا صنعت مجبور به انجام این بده‌بستان است، باید دقیقاً بررسی کرد که انرژی هدررفته در یک سلول تک‌پیوندی کجا می‌رود. حد شاکلی-کوییسر فرض را بر یک ماده نیمه‌رسانای واحد با یک پیوند p-n می‌گذارد. در یک سلول سیلیکونی بی‌نقص با شکاف باند ۱.۱ الکترون‌ولت (eV)، تقریباً ۴۷ درصد از انرژی خورشیدی ورودی به‌صورت گرما هدر می‌رود، زیرا فوتون‌های پرانرژی بسیار بیشتر از نیاز شکاف باند انرژی به همراه دارند. ۱۸ درصد دیگر از فوتون‌ها نیز صرفاً از ماده عبور می‌کنند، زیرا فاقد حداقل انرژی لازم برای جابه‌جایی یک الکترون هستند.[4][5]

این محدودیت با استفاده از اصل تعادل دقیق به دست می‌آید، که فرض می‌کند در تعادل حرارتی، نرخ فوتون‌های جذب‌شده توسط ماده باید کاملاً برابر با نرخ فوتون‌های ساطع‌شده از طریق بازترکیب تابشی باشد. شاکلی و کوییسر خورشید را به‌عنوان یک ساطع‌کننده جسم سیاه در دمای ۶۰۰۰ کلوین مدل‌سازی کردند و محاسبه نمودند که شکاف باند بهینه برای جذب این طیف خاص تقریباً ۱.۳۴ الکترون‌ولت است، که حداکثر بازدهی ۳۳.۷ درصد را به دست می‌دهد. سیلیکون، با شکاف باند کمی پایین‌تر یعنی ۱.۱ الکترون‌ولت، دارای حداکثر نظری حدود ۳۲ درصد است.[4]

این‌ها ناکارآمدی‌های مهندسی نیستند که بتوان با تجهیزات کارخانه‌ای بهتر یا مواد خالص‌تر آن‌ها را برطرف کرد؛ این‌ها قوانین تغییرناپذیر مکانیک کوانتومی هستند. حتی اگر یک تولیدکننده به‌طور کامل تمام بازتاب‌های سطحی، تمام مقاومت‌های الکتریکی داخلی و تمام سایه‌های ناشی از اتصالات فلزی در جلوی سلول را از بین ببرد، حداکثر توان خروجی مطلق همچنان در ۳۳۷ وات بر متر مربع تحت شرایط استاندارد طیف خورشیدی AM1.5 (که ظهر خورشیدی را در طول اعتدال بهاری شبیه‌سازی می‌کند) محدود باقی می‌ماند.[1][3][4][5]

به همین دلیل است که خط پایه تجاری فعلی یعنی ۲۴ درصد تا این حد اهمیت دارد. فاصله بین ۲۴ درصد و سقف سخت ۳۳.۷ درصد کمتر از ۱۰ واحد درصد است. پر کردن این شکاف مستلزم کاهش تلفات ثانویه است - مانند بازترکیب اوژه (Auger recombination)، جایی که یک الکترون برانگیخته انرژی خود را به جای مدار خارجی به الکترون دیگری منتقل می‌کند. پژوهشگران محدودیت‌های دقیق بازدهی این بلورهای ناقص را از اصول اولیه نقشه‌برداری کرده‌اند و ثابت نموده‌اند که هرچه یک سلول تک‌پیوندی به حد شاکلی-کوییسر نزدیک‌تر می‌شود، هر کسر افزایشی از یک درصد، گران‌تر تمام می‌شود.[1][2][4][5]

رویکرد سلول تاندم این گلوگاه را با قرار دادن یک ماده با شکاف باند بالا روی یک ماده با شکاف باند پایین دور می‌زند. لایه بالایی نور پرانرژی آبی و فرابنفش را جذب کرده و آن را به‌طور کارآمدی بدون هدر دادن انرژی اضافی به‌صورت گرما تبدیل می‌کند. نور کم‌انرژی قرمز و فروسرخ از لایه بالایی عبور کرده و توسط لایه پایینی جذب می‌شود. با تقسیم طیف خورشیدی به بخش‌های مجزا، یک سلول تاندم دولایه اساساً ریاضیات را بازنویسی می‌کند و حد نظری بازدهی را به ۴۲ درصد می‌رساند.[2][5]

سلول‌های تاندم یکپارچه مبتنی بر سیلیکون، که معمولاً یک پایه سیلیکونی سنتی را با لایه رویی از پروسکایت متال-هالید جفت می‌کنند، در حال حاضر محتمل‌ترین گزینه‌های تجاری هستند. در محیط‌های آزمایشگاهی، این ساختارهای تاندم پیش‌تر بازدهی بیش از ۳۳ درصد را نشان داده‌اند که عملاً با حد نظری مطلق یک سلول تک‌پیوندی برابری می‌کند و ثابت می‌نماید که مفهوم چندپیوندی در عمل کار می‌کند، هرچند مقیاس‌پذیری این نمونه‌های اولیه به پنل‌های استاندارد دو متر مربعی همچنان یک مانع مهندسی عظیم است.[2][6]

با این حال، استدلال علیه سلول‌های تاندم ریشه در اقتصاد بی‌رحمانه استقرار در مقیاس شبکه دارد. تولید سیلیکون تک‌پیوندی یکی از بهینه‌ترین فرآیندهای صنعتی روی زمین است. صرفه‌های ناشی از مقیاس، هزینه ماژول‌های خورشیدی را در دهه گذشته بیش از ۹۰ درصد کاهش داده است. معرفی یک لایه فعال دوم نیازمند کنترل دقیق خواص رابط، دیودهای تونلی پیچیده برای مدیریت جریان الکترون بین لایه‌ها، و تکنیک‌های رسوب‌گذاری کاملاً جدیدی است که زنجیره‌های تامین موجود را مختل می‌کند.[5][6]

مهم‌تر از آن، امیدوارکننده‌ترین مواد لایه رویی - یعنی پروسکایت‌ها - به‌شدت ناپایدارند. آن‌ها در معرض رطوبت، اکسیژن و حتی همان نور فرابنفشی که برای جذب آن طراحی شده‌اند، به‌سرعت تخریب می‌شوند. یک توسعه‌دهنده مزرعه خورشیدی که هزینه ترازشده انرژی (LCOE) را در یک طول عمر ۲۵ ساله مدل‌سازی می‌کند، باید افزایش فوری توان خروجی را در برابر ریسک شدید خرابی زودهنگام ماژول بسنجد. بدون تضمین طول عمر چنددهه‌ای، ریاضیات مالی برای استقرار در مقیاس نیروگاهی فرو می‌پاشد.[6]

اگر یک سلول تاندم در عرض یک دهه به ۸۰ درصد خروجی اولیه خود تنزل یابد، بازده انرژی در طول عمر آن ممکن است در واقع کمتر از یک پنل سیلیکونی تک‌پیوندی استاندارد با بازدهی ۲۴ درصد باشد که با نرخ قابل‌پیش‌بینی ۰.۴ درصد در سال افت می‌کند. مدل‌های مالی بی‌رحم هستند: افزایش بازدهی باید به‌طور کامل افزایش هزینه تولید و صرف ریسک بالاتری را که توسط تامین‌کنندگان مالی پروژه (که نسبت به فناوری‌های اثبات‌نشده در محیط‌های خشن بیرونی محتاط‌اند) مطالبه می‌شود، جبران کند.[6]

با این وجود، محدودیت‌های فضایی شبکه انرژی مدرن در حال تحمیل این مسئله هستند. در محیط‌های متراکم شهری، روی سقف‌های تجاری و در مناطقی با هزینه بالای زمین، ردپای فیزیکی یک آرایه خورشیدی عامل محدودکننده اصلی است. زمانی که فضا محدود باشد، به حداکثر رساندن توان خروجی در هر متر مربع به‌مراتب ارزشمندتر از به حداقل رساندن هزینه خام هر وات می‌شود. یک پنل با بازدهی ۳۰ درصد همان توان را در فضای بسیار کمتری تولید می‌کند و اساساً اقتصاد املاک و مستغلات پروژه را تغییر می‌دهد.[6]

اینجاست که حد شاکلی-کوییسر از یک کنجکاوی آکادمیک به یک محدودیت تجاری الزام‌آور تبدیل می‌شود. اگر یک دیتاسنتر یا یک تاسیسات هیدروژن سبز برای فعالیت به ظرفیت مگاواتی خاصی نیاز داشته باشد و زمین موجود تنها گنجایش تعداد معینی پنل را داشته باشد، سیلیکون تک‌پیوندی به‌سادگی با کمبود فضا مواجه می‌شود. محدودیت ۳۳.۷ درصدی به این معناست که هیچ مقدار از نوآوری‌های آینده در سیلیکون نمی‌تواند ردپای مورد نیاز را از حد مشخصی کمتر کند و توسعه‌دهندگان را مجبور می‌سازد به دنبال گزینه‌های دیگری باشند.[3][6]

بنابراین، گذار به معماری‌های تاندم صرفاً یک انتخاب نیست؛ بلکه یک الزام ساختاری برای مرحله بعدی گذار جهانی انرژی است. چالش اصلی مهندسی از استخراج آخرین قطرات بازدهی از یک پیوند p-n منفرد فاصله گرفته و به سمت پایدارسازی مواد چندپیوندی تغییر جهت داده است که در نهایت می‌توانند سد ۳۳.۷ درصدی را در مقیاس تجاری بشکنند. این صنعت میلیاردها دلار شرط می‌بندد که شیمی پروسکایت‌ها پیش از آنکه محدودیت‌های فیزیکی سیلیکون رشد استقرار را خفه کند، مهار شود.[2][5][6]

عامل تعیین‌کننده یک پیشرفت ناگهانی در فیزیک تک‌پیوندی نخواهد بود، زیرا این فیزیک پیش‌تر حل و مهروموم شده است. عامل تعیین‌کننده، دقیقاً همان سالی خواهد بود که یک تولیدکننده بزرگ، گارانتی ۲۵ ساله قابل‌اتکایی برای یک ماژول تاندم با بازدهی ۳۰ درصد ارائه دهد. تا زمانی که آن گارانتی امضا نشود، محدودیت ۳۳.۷ درصدی سخت‌ترین سقف در انرژی‌های تجدیدپذیر باقی می‌ماند و صنعت باید به جای ساختن پنل‌های بهتر، به ساختن پنل‌های گسترده‌تر ادامه دهد و زمین‌های بیشتری را برای جبران مرز ترمودینامیکی که نمی‌تواند از آن عبور کند، پوشش دهد.[1][3]