موفقیت محققان در طراحی و تولید فناوری سلول‌های خورشیدی

به گزارش برق نیوز  محققان دانشگاه شهید چمران اهواز موفق شدند برای نخستین‌بار در کشور دانش فنی و فناوری طراحی و ساخت نوعی از سلول‌های خورشیدی فیلم نازک مبتنی بر "سیلیکن آمورف هیدروژنه" را تولید و نمونه‌های آزمایشگاهی آن را با موفقیت آزمایش کنند.

 این موفقیت در ادامه اجرای یک پروژه تحقیقاتی با عنوان "طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی سیلیکن آمورف هیدروژنه" برای شرکت برق منطقه‌ای خوزستان با مدیریت دکتر عبدالنبی کوثریان دانشیار گروه برق دانشکده مهندسی حاصل شد و به تولید موفقیت‌آمیز سلول‌های خورشیدی موسوم به فیلم نازک- نژاد دوم- برای اولین‌بار در کشور انجامید.

ثبت طرح در معاونت علمی و فناوری ریاست‌جمهوری

دکتر کوثریان با بیان این‌که در این پروژه روی فناوری‌های تولید سلول‌های خورشیدی thin film از نوع سیلیکن آمورف هیدروژنه کار شده است، اظهار کرد: تا کنون در کشور در زمینه تولید این نوع از سلول‌های خورشیدی و فناوری‌ طراحی و ساخت آن کار نشده است.

وی خاطرنشان کرد: این طرح در معاونت علمی و فناوری ریاست‌جمهوری به ثبت رسیده و دارای کد شناسایی است، اکنون نیز به‌عنوان یک طرح شاخص با حمایت مادی و معنوی شرکت برق منطقه‌ای خوزستان در حال اجرا است.

بازطراحی سامانه‌ها در بومی‌ترین حالت ساخت

این پژوهشگر با بیان این‌که کاری که در این آزمایشگاه تحقیقاتی انجام شد بازطراحی سامانه‌ها برای ایجاد بومی‌ترین حالت ساخت این نوع از سلول‌های خورشیدی بوده است، گفت: تا حد ممکن تمام سامانه‌ها بر اساس نیاز و با توجه به مواد در دسترس بومی شده‌اند؛ چند دانشجوی دکترای دانشگاه کارهای تحقیقاتی مرتبط با پایان‌نامه‌ خود را در این مرکز انجام دادند و تقریباً جزء به جزء سیستم‌ها را بازطراحی و مشخصه‌های موردنظر را ایجاد کردند.

کوثریان با اشاره به حساسیت کار این سامانه‌ها و وجود گازهای بسیار سمی، خطرناک و انفجاری در فرآیند تولید این مواد، تصریح کرد: در بخش‌های مختلف این فرآیند از گازهای سایلان، هیدروژن، فسفان و دی‌بوران استفاده می‌شود که در صورت بروز کوچکترین اشتباه و نشتی یا دقیق‌نبودن تنظیمات، می‌تواند کل سامانه را با خطر انفجار مواجه کند.

وی افزود: با توجه به این حساسیت‌ها چندین سال با دقت و ظرافت خاصی روی جزء به جزء این سامانه کار شده است که همه اجزاء کاملاً قابلیت مهار پیدا کرده‌اند و توانستیم گازهای واکنشگر را با دقت به سمت رآکتورها هدایت کنیم.

سامانه منحصر به فرد ساخت سلول‌های خورشیدی در کشور

مدیر پروژه طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی "فیلم نازک" با بیان این‌که این سامانه از نقطه‌نظر فناوری و ساخت در کشور منحصر به فرد است، عنوان کرد: آماده‌کردن و بازطراحی سیستم‌ها عمده وقت تیم را به خود اختصاص داد و نصب اتصالات و ایمن‌سازی سامانه‌ها حداقل سه سال به طول انجامید زیرا تست‌های بسیار متعدد و دقیق برای اطمینان از ایمن‌بودن سیستم لازم بود.

کوثریان با اشاره به این‌که طراحی‌ها چند بار تغییر داده شد تا ایمنی حداکثری حاصل شود، گفت: خوشبختانه پس از صرف مدت زمان طولانی و رفع مشکلات فنی، بهمن‌ماه امسال توانستیم شرایط مختلف موردنیاز برای ساخت سلول خورشیدی "فیلم نازک" مبتنی بر سیلیکن آمورف هیدروژنه را ایجاد کنیم.

وی با بیان این‌که سال 90 طی یک طرح تحقیقاتی با شرکت برق منطقه‌ای خوزستان، پروژه طراحی و ساخت این نوع از سلول‌های خورشیدی کلید زده شد، اظهار کرد: در آن شرایط هم از نظر مادی و معنوی حمایت خوبی صورت گرفت اما بازطراحی سامانه‌ها و سیستم ایمنی آن حداقل سه سال طول کشید تا عملیاتی شود.

این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز در خصوص فناوری ساخت این سلول‌ها، عنوان کرد: این سلول در رآکتورهای"پی-ای-سی-وی-دی" ( (PECVD و اسپاترینگ تحت شرایط خاص ساخته شده و دارای ساختار پی–آی–انpin) ) است و در بررسی‌های اولیه پارامترهای قابل قبولی از خود نشان داده است.

کوثریان افزود: سامانه PECVD برای انجام لایه‌نشانی در محیط پلاسما استفاده می شود اما باید با گازهای خطرناکی که در اختیار داشتیم سازگار می‌شد به همین دلیل برای بهینه‌سازی اصلاحاتی روی آن انجام شد تا کاملاً با فناوری موردنیاز سازگار شود. در سیستم اسپاترینگ نیز بخشی از لایه‌ها رسوب داده می‌شود؛ لایه‌های اتصال برای ITO (یک لایه اکسید هادی شفاف) نیز به روش اسپاترینگ ایجاد می‌شوند و سپس لایه‌های اصلی در سیستم pin در محیط پلاسما تشکیل می‌شود.

هدف آتی تیم‌ تحقیقاتی؛ بهینه‌سازی مشخصات و هدایت پروژه به سمت تولید نیمه‌صنعتی

وی با بیان این‌که این سلول دارای سه لایه عمده نوع p ، i و n است، گفت: باتوجه به این‌که در تست‌های انجام‌شده حداقل نتایج مورد انتظار حاصل شده است اکنون در حال کار روی بهبود خواص و بهینه‌سازی سیستم هستیم و هدف بعدی تیم تحقیقاتی بهینه‌سازی مشخصات سلول و هدایت پروژه به سمت تولید نیمه‌صنعتی خواهد بود.

این پژوهشگر با معرفی سامانه‌های مورد استفاده و چگونگی راه‌اندازی آن‌ها اظهار کرد: برای ایجاد لایه‌های نانومتری و میکرومتری به دستگاه‌های پیشرفته‌ای مانند دستگاه رسوب بخار شیمیایی ‌به کمک پلاسما (‌(PECVD و دستگاه لایه‌نشانی کند و پاش Sputtering )) نیاز بود. بدنه اولیه این سامانه‌ها با حداکثر قابلیت بومی‌سازی و با کمترین ارزبری ممکن توسط یکی از شرکت‌های نوپای داخلی ساخته شد.

تغییرات و اصلاحات اساسی سامانه‌ها در طول چهار سال به‌دلیل مشکلات ایمنی

کوثریان ادامه داد: این سامانه‌ها در عمل به دلیل نشان‌دادن ضعف‌های جدی در آزمون‌های متعدد برای ایجاد قابلیت‌های عملیاتی و به‌ویژه غلبه بر مشکلات مرتبط با ایمنی دستگاه‌ها و مواد خطرناک مورد استفاده در آن‌ها، توسط تیم تحقیقاتی سلول‌های خورشیدی دانشگاه شهید چمران مورد بازطراحی اساسی قرار گرفتند و در طول بیش ازچهار سال اصلاحات و تغییرات بسیار مهم و قابل توجهی بر روی سیستم‌ها انجام شد به‌گونه‌ای که سامانه‌ها تا مرز عملیاتی‌شدن ارتقا داده شدند.

وی با بیان این‌که مواد اولیه لازم شامل گازهای خورنده، بسیارخالص، اشتعال‌زا و سمی بود، تصریح کرد: برای کنترل و استفاده ایمن از این گازها به تمهیدات ویژه‌ای نیاز بود؛ انتقال گازها از کپسول‌های پرفشار به داخل دستگاه‌ها و همچنین دفع بی‌خطر گازهای مصرف‌نشده نیز از جمله چالش‌های اساسی بود.

مدیر این پروژه تحقیقاتی عنوان کرد: با توجه به اراده تیم تحقیقاتی و با تکیه بر روحیه خودباوری و اعتقاد به قابلیت‌های بومی و خودکفایی، با انجام تحقیقات و مطالعات فنی قوی و روزآمد، عملیات طراحی و پیاده‌سازی سیستم انتقال گازها و ایمن‌سازی سامانه‌ها، با تلاش‌های شبانه‌روزی محققان تیم آزمایشگاه سلول‌های خورشیدی به بهترین و ایمن‌ترین شکل ممکن به انجام رسید و موردبهره‌برداری قرار گرفت.

کوثریان با بیان این‌که سلول‌های خورشیدی دارای چهار نسل یا بهتر بگوئیم چهار نژاد Generation است، گفت: هرکدام از این انواع دارای مزیت‌ها و معایبی است. سلول‌های خورشیدی نژاد اول مبتنی بر سیلیکن‌های کریستالی است که موفقیت‌های خوبی را کسب کرده‌ است اما بسترها و زمینه‌های خاص کریستالی نیاز دارد.

مزیت‌های سلول‌های خورشیدی فیلم نازک نسبت به سیلیکن‌های کریستالی

وی ادامه داد: نوع دوم مبتنی بر فناوری فیلم نازک است که اکنون در حال کار روی آن هستیم و روی سیلیکن آمورف ساخته می شود؛ این نوع از سلول‌های خورشیدی نسبت به نژاد اول از برخی جنبه‌ها دارای محاسن عمده‌ای است. اول آن‌که روی زمینه‌های بسیار ارزان و انعطاف پذیر مانند شیشه و پلاستیک ساخته می‌شود در حالی‌که نژاد اول باید روی ساختارهای کریستالی ساخته شود البته راندمان آن نسبت به این نوع پایین‌تر است.

این پژوهشگر اضافه کرد: همچنین این نوع از سلول‌های خورشیدی در دمای بالا عملکرد بهتری نسبت به سیلیکن‌های کریستالی از خود نشان می‌دهند و حتی راندمان آن‌ها در دماهای بالاتر افزایش می‌یابد در حالی‌که در نوع اول راندمان به‌شدت افت می‌کند؛ یکی از انگیزه‌های تیم برای انتخاب این نوع تکنولوژی نیز سازگاری آن با شرایط اقلیمی منطقه است که بتوان قابلیت‌های آن را بهبود بخشید و قابل رقابت کرد.

کوثریان با اشاره به ساختار این سلول، توضیح داد: سلول دارای یک بستر و زیرلایه به‌عنوان نگهدارنده لایه‌های اصلی است که برای این منظور از یک شیشه معمولی تخت مستطیل شکل با ضخامت یک میلی‌متر و مساحت 19 سانتی‌متر مربع استفاده شده است. ویژگی استفاده از این نوع بستر شیشه‌ای یکی از مزایای مهم این فناوری است که باعث ارزان‌شدن محصول نهایی خواهد شد.

وی با بیان این‌که سلول دارای دو اتصال جلویی و پشتی است، افزود: از یک لایه رسانای شفاف به‌عنوان اتصال بالایی برای دسترسی الکتریکی به یکی از طرفین سلول استفاده شده است که این لایه یک رسانای الکتریکی است و در عین حال به‌راحتی با تضعیف ناچیز نور خورشید را از خود عبور می‌دهد؛ این لایه به کمک لایه‌نشانی اکسید ایندیم – قلع (ITO ) با دستگاه کند و پاش روی شیشه زیرلایه ایجاد شده است.

فناوری طراحی و تولید سلول‌های خورشیدی "فیلم نازک"

مدیر پروژه تحقیقاتی طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی تصریح کرد: لایه پنجره از جنس سیلیکن آمورف هیدروژنه نوع p با تشکیل پلاسمای مناسب درون رآکتور رسوب بخار شیمیایی به کمک پلاسما (PECVD)، با وارد کردن گازهای سایلان و هیدروژن به‌عنوان گازهای اصلی و گازهای‌بوران به عنوان گاز آلایشگر با روشی بسیار دقیق و کنترل‌شده ساخته شده است.

کوثریان افزود: لایه جاذب از جنس سیلیکن آمورف هیدروژنه ذاتی با وارد کردن گازهای سایلان و هیدروژن در شرایط مناسب تشکیل پلاسما به‌منظور ایجاد ضخامت و پارامترهای مطلوب تشکیل و لایه اتصال کاتد نیز از سیلیکن آمورف هیدروژنه نوع n در رآکتورPECVD و با وارد کردن گازهای سایلان و هیدروژن به‌عنوان گازهای اصلی و گاز فسفاین به‌عنوان گاز آلایشگر ساخته شد.

وی در خصوص ساخت لایه اتصال زیرین گفت: این لایه می‌بایست دارای هدایت الکتریکی بالا و بازتابگر خوبی برای نور باشد تادسترسی الکتریکی به زیر سلول را فراهم و از خروج نور خورشید از سلول جلوگیری کند که باکمک لایه‌نشانی نقره با دستگاه کندوپاش ساخته و از این لایه جریان الکتریسیته تولیدی استخراج می‌شود.

این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز خاطرنشان کرد: تنظیم پارامترهای هر کدام ازاین لایه‌ها از قبیل نسبت ترکیب، ضخامت، دمای لایه‌نشانی و میزان غلظت ناخالصی نقش مهمی در خواص سلول خورشیدی نهایی ایفا می‌کند.

کوثریان در خصوص نوع سوم و چهارم این سلول‌ها بیان کرد: نژاد سوم عمدتأ روی موارد پلیمری ساخته می‌شود و نوع چهارم هم ترکیبی است؛ با توجه به این‌که این فناوری‌ها در عرض همدیگر هستند بهتر است برای توصیف آن به‌جای نسل از واژه "نژاد" استفاده شود.

امکان ورود به فاز تولید نیمه‌صنعتی درصورت حمایت متولیان فراهم است

وی با بیان این‌که ما دانش ساخت سلول‌های خورشیدی را در کشور تولید کردیم و در حال پیشرفت و بهینه‌سازی آن هستیم، گفت: در صورت اعلام درخواست شرکت‌ها و سازمان‌های متولی امر می‌توان تولید این سلول‌ها را در فاز نیمه‌صنعتی در رآکتورهای بزرگتر آغاز کرد و از محاسن این فناوری نیز این است که می‌توان این سلول‌ها را در مقیاس بسیار بزرگ حتی یک مترمربع تولید کرد مشروط بر آن‌که رآکتور بزرگ شود در حالی‌که با استفاده از فناوری‌های دیگر سلول‌ها باید در سایز کوچک ساخته شود.

این پژوهشگر در خصوص کارهای انجام‌شده در دیگر دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی کشور، اظهار داشت: به‌صورت پراکنده کارهایی انجام می‌شود اما تاکنون گزارش رسمی از نتایج این مطالعات ارائه نشده و خروجی خاصی نداشته است.

کوثریان درباره وارد کردن فناوری نیروگاه‌های خورشیدی خانگی به کشور نیز با بیان این‌که اصلا چنین اقدامی را قبول ندارم، تصریح کرد: باید در زمینه تولید فناوری سرمایه‌گذاری و نیروی متخصص تربیت کنیم؛ اکنون دانشگاه در حال تربیت نیروی متخصص و فناور است و این دانش به نسل‌های بعد منتقل می شود.

اشباع بازار جایی برای کارهای تحقیقاتی باقی نمی‌گذارد

وی با تأکید بر این‌که اگر کشور بخواهد پیشرفت کند باید تحصیلات تکمیلی در زمینه‌های فنی گسترش یاید، افزود: این افراد می‌توانند سازنده ابزارهای پیشرفته تکنولوژیکی باشند اما وقتی بازار اشباع شود جایی برای کارهای تحقیقاتی باقی نمی‌ماند.

این پژوهشگر همچنین با انتقاد از برخی قراردادهای تجاری ایران با کشورهای دیگر، این اقدامات را مایه نگرانی برای محققان و اساتید دانشگاه‌ها دانست و گفت: بسیاری از این قراردادها بازار کشور ما را به‌رایگان در اختیار کشورهای دیگر قرار می‌دهد و فضا برای کارهای تحقیقاتی بسته می‌شود.

کوثریان افزود: البته خوشبختانه این طرح در وزارت نیرو جا افتاده و به‌دلیل آن‌که همگام با تکنولوژی‌های روز دنیا است، مورد توجه مسئولان این بخش قرار گرفته است.

وی با تأکید بر لزوم توجه به کارهای تحقیقاتی زیربنایی، اظهار داشت: اکنون هزینه انرژی از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی خواه از نظر اقتصادی و دیگر هزینه‌های جانبی و عوارض آن از لحاظ مسائل زیست‌محیطی، در حال افزایش است؛ از سوی دیگر انرژی خورشیدی جزو انرژی‌های پاک و دوستدار محیط‌ زیست است و با توجه به تحقیقات در حال انجام در دنیا، هزینه‌های ساخت، تولید و بهره‌وری آن در حال کاهش است.

لزوم سرمایه‌گذاری و اعمال سیاست‌های تشویقی برای توسعه این فناوری

مدیر پروژه طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی دانشگاه شهید چمران اهواز با ابراز امیدواری از این‌که در آینده نزدیک تولید انرژی از طریق سلول‌های خورشیدی نسبت به سوخت‌های فسیلی مقرون به صرفه‌تر و تولید برق از طریق احتراق این سوخت‌ها غیرقابل توجیه خواهد شد، عنوان کرد: با توجه به این موضوع اگر از فناوری طراحی و ساخت این سلول‌ها عقب بمانیم در آینده برای جبران آن باید هزینه‌های بسیار بالاتری را متحمل شویم.

کوثریان با اشاره به لزوم سرمایه‌گذاری بر ساخت این سلول‌ها و پشتیبانی مادی و معنوی از سازندگان و تولیدکنندگان فناوری آن، گفت: اگر بتوانیم چنین کاری را انجام دهیم آینده از آن ما خواهد بود ضمن آن‌که بسیاری از کشورهای منطقه نیز می‌توانند بازار خوبی برای ما باشند و قدرت سیاسی کشور را در کنار قدرت اقتصادی و تکنولوژیکی آن بالا ببرند.

وی خاطرنشان کرد: در حال حاضر اعمال سیاست‌های تشویقی و مکانیزم‌های حمایتی در این زمینه از سوی دولت لازم است اما در آینده با توجه به روند نزولی هزینه ساخت این سلول‌ها مقرون به صرفه خواهد شد، البته اگر جنبه‌های دیگر این فناوری مانند مسائل زیست‌محیطی نیز در نظر گرفته شود نسبت به سوخت‌های فسیلی قابل قیاس نیست.

سرمایه‌گذاری 400 میلیون تومانی برای راه‌اندازی آزمایشگاه سلول‌های خورشیدی

این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز با اشاره به سرمایه‌گذاری 400 میلیون تومانی برای راه‌اندازی آزمایشگاه تحقیقاتی سلول‌های خورشیدی دانشگاه در سال 90، ارزش معنوی این آزمایشگاه را بسیار فراتر از مسائل مادی دانست و با بیان این‌که مدیریت‌های دانشگاه نیز در این مدت کمابیش از تیم تحقیقاتی حمایت کردند، گفت: این آزمایشگاه در واقع می‌تواند یک مرکز تحقیقاتی بین‌رشته‌ای از تخصص‌های مختلف برق، شیمی، فیزیک، مکانیک، مواد و ... باشد که دانشجویان مختلف پروژه‌های پایان‌نامه خود را در این مرکز انجام دهند.

کوثریان همچنین با اشاره به این‌که مطالعات در خصوص سلول‌های خورشیدی در دانشگاه شهید چمران از سال 87 و با انجام پایان‌نامه‌های متعدد آغاز شد، خاطرنشان کرد: کار تحقیقاتی حاضر به طور مشخص به سرپرستی اینجانب با مشارکت دو نفر از دانشجویان دکترای این دانشگاه، آقایان جبار گنجی و علیرضا کرامت‌زاده، انجام شد و نتایج تحقیقات به‌زودی در قالب مقاله در مجلات معتبر بین‌المللی نیز به چاپ خواهد رسید.

وی تصریح کرد: در حال حاضر بزرگترین مانع سر راه ورود فراگیر برق خورشیدی به شبکه‌های تولید نیرو، هزینه نسبتاً بالای راه‌اندازی اولیه آن است از این رو محققان کاهش بهای تمام‌شده پانل‌های خورشیدی را به‌عنوان یک پارامتر مهم و تعیین‌کننده برای بازار انرژی مورد پژوهش قرار می‌دهند.

ایران؛ بیشترین پتانسیل بهره‌برداری کارآمد از فناوری سلول‌های خورشیدی

این استاد دانشگاه شهید چمران اهواز با مقایسه سلول‌های خورشیدی "فیلم نازک" نسبت به سایر سلول‌های خورشیدی، اظهار کرد: این سلول‌ها در دورنمای جهانی نقش مهمی در جایگزین کردن انرژی‌های تجدیدشونده، پاک و ایمن به‌جای سوخت‌های فسیلی و سایر منابع انرژی ناسالم ایفا می‌کنند.

کوثریان اضافه کرد: کشور ما در گستره وسیعی دارای میزان انرژی دریافتی بسیار زیادی از خورشید است و از این نظر در زمره کشورهای با بیشترین پتانسیل بهره‌برداری کارآمد از این منبع انرژی قرار دارد.

وی افزود: بومی‌شدن فناوری ساخت این نوع از سلول‌های خورشیدی، نوید‌بخش آینده‌ای روشن در عملیاتی‌ کردن این پتانسیل و کاهش وابستگی کشور به سوخت‌های فسیلی خواهد بود که از خروج ارز هنگفت از کشور جلوگیری می‌کند.

کوثریان تصریح کرد: از سوی دیگر در صورت حمایت و سیاستگذاری درست، کشور می‌تواند به صادرکننده این محصول و جذب منابع ارزی قابل توجه تبدیل شود و مهم‌تر آن‌که دستیابی به فناوری‌های روز دستاورد مهمی است که کشور را قادر به رقابت در عرصه فناوری‌های برتر خواهد کرد.