1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

آشنایی با فناوری سلول خورشیدی رکتنی

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - وحید خوشدل , نویسنده دوم - مهرداد شکوه صارمی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : نانوآنتن تاریخ مقاله : 1393/11/07 تعداد بازدید : 3051

طی سالیان اخیر تلاش‌های جدی برای جایگزینی پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک با نانوآنتن‌های نوری برای غلبه بر معایب سلول‌های خورشیدی فعلی صورت گرفته است. ایده جمع‌آوری انرژی خورشیدی با استفاده از نانوآنتن‌ها بر این اساس است که هنگامی که موج الکترومغناطیسی خورشیدی به یک نانوآنتن برخورد می‌کند، یک جریان متغیر با زمان بر روی سطح نانوآنتن ایجاد شده و در نتیجه ولتاژی در محل شکاف تغذیه آن تولید می‌شود، از این رو با جایگذاری یکسوسازی مناسب در محل تغذیه نانوآنتن توان DCمطلوب تولید می‌گردد. به این گونه سیستم‌های جمع‌آوری انرژی خورشیدی که شامل آنتن‌ها و یکسوسازهای با ابعاد نانومتری هستند، سلول خورشیدی رکتنی می‌گویند

 

 

1- مقدمه

در طی سال‌های اخیر شاهد افزایش روز افزون وابستگی بشر به انرژی بوده‌ایم، در حال حاضر انرژی اصلی مصرفی انسان‌ها سوخت‌های فسیلی هستند، اما با توجه به تجدید ناپذیر بودن و مشکلات زیست‌محیطی ناشی از این سوخت‌ها، انسان همواره به دنبال سوختی پاک و تمام نشدنی بوده است. یکی از این گزینه‌ها استفاده از انرژی خورشید است. انرژی خورشیدی که بزرگترین منبع انرژی است، پس از عبور از جو به سطح زمین می‌رسد. چگالی توان تشعشعی تابش خورشیدی که وارد جو زمین می‌شود تقریباً برابر W/m2 1370 است[1]. این طیف تشعشعی خورشید دارای باند فرکانسی بسیار وسیعی است که به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

تابش فرابنفش با طول‌موج‌های کمتر از 400 نانومتر (فرکانس‌های بیشتر از 750 تراهرتز) که شامل 9 درصد طیف فرکانسی خورشیدی است، نور مرئی با طول‌موج‌های بین 400 تا 700 نانومتر (فرکانس‌های بین 428 تا750 تراهرتز) که شامل 39 درصد طیف و بالاخره تابش‌های فروسرخ با طول‌موج‌های بین 700 نانومتر تا یک میلی متر (فرکانس‌های بین 3/0 تا 428 تراهرتز) که شامل 52 درصد طیف فرکانسی تابش خورشیدی هستند[2]. هرچند همه تابش خورشیدی به سطح زمین نمی‌رسد اما تابش‌هایی که به سطح زمین می‌رسند شامل مقدار زیادی انرژی هستند. این انرژی به‌وسیله‌ی هر شئ بر روی کره زمین جذب و به گرما تبدیل می‌شود. انرژی تجدیدپذیر و پاک خورشیدی عصر جدیدی را پیش روی انسان‌ها جهت تولید انرژی‌ الکتریکی قرار داده است.

از زمان شناخت پدیده فتوولتاییک1 در اوایل دهه 1950 میلادی رشد و توسعه این فناوری با سرعت بسیار بالایی ادامه داشته است. در حال حاضر دو فناوری عمده بر اساس استفاده از سیلیکون و لایه‌های نازک در ساخت سلول‌های خورشیدی رواج دارند. سلول‌ سیلیکون بلوری2 که نخستین نسل از سلول‌های خورشیدی است به دو صورت تک بلوری و چند بلوری تولید می‌شود. این فناوری هر چند امروزه بیشترین استفاده را در بازار سیستم‌های فتوولتاییک دارد اما از معایب آن می‌توان به هزینه تولید بسیار زیاد آن اشاره کرد. در فناوری سلول خورشیدی لایه نازک هر چند هزینه تولید کاهش یافته است اما به نسبت فناوری‌ سیلیکونی از بازدهی کمتری برخوردار است، طوریکه بهترین بازده آزمایشگاهی به دست آمده از این روش از 20 درصد فراتر نمی‌رود.

با توجه به اینکه این نوع فناوری سلول‌های خورشیدی به علت راندمان پایین به خوبی پوشش دهنده نیاز‌های تجاری نبوده است، صنعت فتوولتاییک در حوزه تجاری نیاز به فناوری‌های با بهره بالاتر و قیمت ارزان‌تر پیدا کرده است. راه حلی که در این حوزه جهت افزایش بهره‌وری در فناوری سلول‌های خورشیدی پیشنهاد شده است، استفاده از نانوآنتن‌های‌نوری3 به همراه‌ یکسو‌سازی4 مناسب در محل تغذیه نانوآنتن است که تشکیل دهنده یک مجموعه به نام رکتن5 است. راندمان سلول‌های خورشیدی معمولی در بهترین حالت حدود 30 درصد است، در حالی که با استفاده از این نانوآنتن‌ها راندمان تئوری تا 100 درصد قابل دسترسی است[2].

ایده تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته اولین بار در سال 1972 به‌وسیله‌ی دانشمندی به نام بیلی6 مطرح گردید[3]. این ایده تا سال 2005 به دلیل عدم توانایی ساخت ساختار‌های با ابعاد نانو در مقیاس تجاری مورد توجه قرار نگرفت. اما در طی سالیان اخیر با توجه به پیشرفت فناوری نانو و امکان ساخت آنتن‌ها و یکسوکننده‌های نانومتری، سیستم رکتن خورشیدی به عنوان جایگزینی برای پنل‌های فتوولتاییک فعلی جهت تولید الکتریسیته پیشنهاد شده‌ است. در این مقاله به معرفی سلول خورشیدی رکتنی و نحوه عملکرد آن پرداخته شده است.

 

2- ساختار و تئوری عملکرد

ساختار کلی یک سیستم سلول خورشیدی رکتنی در شکل (1) نشان داده شده است. این سیستم شامل یک آنتن با ابعاد نانومتر (مرتبه‌ای از طول‌موج ناحیه فرکانسی فروسرخ و مرئی) ، یکسوساز دیودی، فیلتر پایین گذر و یک بار است که همگی به صورت موازی در مدار رکتنی قرار گرفته‌اند[2].

 

هنگامی که موج الکترومغناطیسی خورشیدی به سطح نانوآنتن برخورد می‌کند یک جریان متغیر با زمان بر روی سطح نانوآنتن ایجاد شده و در نتیجه ولتاژی در محل شکاف تغذیه آن تولید می‌شود. از این رو با جایگذاری یکسوسازی مناسب در محل شکاف تغذیه نانوآنتن توان DC مطلوب تولید می‌گردد. میلیون‌ها عدد نانوآنتن به همراه یکسو ساز مناسب طبق شکل (2) در سیستم رکتن خورشیدی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و هر یک به صورت جداگانه به تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید می‌پردازند.

 

2-1 نانوآنتن

آنتن وسیله‌ایست که می‌تواند موج الکترومغناطیسی موجود در فضا را دریافت کند. جهت دریافت موج الکترومغناطیسی خورشیدی به‌وسیله‌ی آنتن بایستی ابعاد آنتن در مرتبه‌ای از اندازه طول‌موج ورودی به سطح آن باشد لذا جهت دریافت تابش‌های خورشیدی که طول‌موج‌های ناحیه فروسرخ، مرئی و فرابنفش را شامل می‌شوند به آنتنی با ابعاد نانومتر نیاز است. از آنجایی که استفاده از نانوآنتن‌های نوری برای جمع آوری انرژی خورشیدی ارائه دهنده یک راه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری‌های فتوولتاییک رایج مثل پنل‌های خورشیدی است، منجر به توسعه سریعی در صنعت نانو و مواد نوری گشته است. نانوآنتن‌ها کاربرد‌‌های زیادی در ناحیه فرکانسی نور مرئی و فروسرخ دارند به همین دلیل توانایی افزایش بر هم کنش بین امواج نوری با مواد با مقیاس نانو را فراهم می‌سازند[5]. آنتن‌های نوری یا همان نانوآنتن‌ها ایده‌ای نو در فیزیک نوری هستند، و عملکردشان مشابه آنتن‌های رادیویی و مایکروویوی است. هدف در آنتن‌های نوری تبدیل انرژی تشعشع فضای آزاد به یک انرژی محلی شده و برعکس است[6]. در شکل (3) انواع مختلفی از نانوآنتن‌ها نشان داده شده است.

 

2-2 یکسوسازهای نانومتری

همان‌طور که در ابتدا این مقاله هم ذکر شد، جهت تبدیل سیگنال‌های متغیر با زمان ناشی از نانوآنتن به توان DC بایستی یکسوسازی مناسب به نانوآنتن متصل گردد. در حال حاضر یکسوسازی که بتواند در فرکانس‌های خیلی بالا (بیش از 30 تراهرتز) کار کند وجود ندارد. دیود شاتکی8 که یک دیود نیمه‌هادی با افت ولتاژ پایین و سرعت پاسخ‌دهی به نسبت سریع است توانایی یکسوسازی و آشکارسازی سیگنال‌های با فرکانس تا 5 تراهرتز را دارد[7]. متداول‌ترین یکسوساز مورد استفاده در سلول خورشیدی رکتنی دیود MIM9 است. این دیود شامل یک لایه عایقی نازک به ضخامت چند نانومتر است که بین دو صفحه الکترود فلزی قرار گرفته است[2]. یکسوسازی سیگنال‌های ورودی بر اساس فرآیند تونل‌زنی10 الکترون در طول لایه عایقی اتفاق می‌افتد. دیود MIM به دلیل زمان تونل زنی فمتوثانیه‌ای یک الکترون در طول یک سد و افزایش چشم‌گیر سرعت پاسخ‌دهی، می‌تواند به عنوان جایگزینی برای دیود شاتکی در ناحیه فرکانسی فروسرخ و مرئی به کار رود[7]. دیودهای MIM عملکرد قابل قبولی را در تبدیل سیگنال‌های تراهرتزی به خروجی DC از خود نشان داده‌اند[7].

جهت تضمین فرآیند یکسوسازی شرایط خاصی باید رعایت گردد: 1) ضخامت لایه عایقی دیود MIMجهت اطمینان از وقوع اثر تونل‌زنی و عبور جریان الکتریکی بایستی خیلی کم و فقط در حد چند نانومتر باشد. 2) مساحت لایه عایقی جهت افزایش فرکانس قطع دیود و در نتیجه یکسوسازی فرکانس‌های تراهرتزی باید خیلی کوچک انتخاب گردد[8]. فرکانس قطع11 یک دیود MIM طبق رابطه (1) به مقاومت دیود (RD) و خازن دیود (CD) بستگی دارد[9].

از آنجایی که مقدار مقاومت دیود به فرآیند ساخت آن وابسته است لذا تنها پارامتر تعیین‌کننده در فرکانس قطع دیود MIM مقدار خازن دیود است که به صورت رابطه زیر بیان می‌شود[7]:

 rε بیانگر گذردهی نسبی لایه عایقی به کار رفته در دیود MIM و 0ε گذردهی فضای آزاد است (گذردهی یکی از مهمترین ویژگی‌های عایق‌ها و بیانگر توانایی آن‌ها در ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی است) ، A و d هم به ترتیب برابر مساحت و ضخامت لایه عایقی هستند. همان‌طور که از رابطه (1) مشخص است جهت رسیدن به یک فرکانس قطع بالا و در نتیجه یکسوسازی فرکانس‌های تراهرتزی ناحیه فروسرخ و مرئی به یک مقدار خازن دیودی بسیار کوچک نیاز است، لذا طبق رابطه (2) بایستی جهت رسیدن به این هدف مساحت لایه عایقی (A) کاهش و یا اندازه ضخامت (d) آن افزایش یابد. اما افزایش ضخامت لایه عایقی احتمال تونل زنی دیود MIM و در نتیجه سرعت پاسخ‌دهی آن را کاهش می‌دهد از طرف دیگر کاهش مساحت ناحیه عایقی هرچند فرکانس قطع دیود و عملکرد آن در یکسوسازی فرکانس‌های تراهرتزی را بهبود می‌بخشد اما به دلیل ساختار چند نانومتری آن موجب پیچیدگی ساخت می‌شود[7]. شکل (4) یک دیود MIM متصل به یک نانوآنتن را نشان می‌دهد. امروزه جهت ساخت دیودهای MIMاز روش چاپ نانو انتقال12 و یا روش طرح نگار الکترونی13 استفاده می‌شود که امکان ساخت دیودهایی که بتوانند سیگنال‌های با فرکانس تا 30 تراهرتز را تبدیل به توان DC کنند فراهم کرده است[2].

 

3- مزایا و برتری سلول خورشیدی رکتنی به نسبت فناوری‌های امروزی

مهمترین مزیت و برتری فناوری سیستم رکتن خورشیدی به نسبت فناوری‌های امروزی بازده بالاتر آن است. همان‌طور که اشاره شد بازده یک سلول خورشیدی رکتنی به صورت تئوری تا 100 درصد قابل دسترسی است در حالی که این مقدار برای فناوری‌های امروزی از 30 درصد فراتر نمی‌رود. از آنجایی که نانوآنتن‌ها توانایی جذب زاویه‌ای وسیعی دارند به سیستم ردیاب خورشیدی جهت تعقیب کردن مسیر خورشیدی نیازی ندارند به همین دلیل حتی در صورت تابش مایل خورشیدی به سطح صفحه خورشیدی میزان بازده آن‌ها تا حد قابل توجهی حفظ می‌شود[11]. این سیستم همچنین می‌تواند انرژی تابیده شده از طرف زمین یا همان تشعشعات زمینی که ناشی از تابش‌های روزانه خورشید به سطح زمین هستند و در طول‌موج‌های 10 میکرومتر (در فرکانس‌های 30 تراهرتز) رخ می‌دهند را جذب ‌کند، به همین دلیل نانوآنتن‌های سیستم رکتن خورشیدی با جمع‌آوری این تشعشعات در طی شب و یا در شرایط آب و هوایی بد هم می‌تواند به تولید انرژی الکتریکی بپردازد[12]. سلول خورشیدی رکتنی پتانسیل لازم برای کم هزینه‌تر بودن به نسبت سلول‌های خورشیدی معمولی فعلی را دارد. لایه‌های فلزی و عایقی به کار رفته در این سیستم به فرم فیلم‌های بسیار نازکی هستند که هزینه بالایی ندارند، همچنین‌ زیرلایه‌های به کار رفته اغلب از جنس شیشه یا پلاستیک هستند که امکان ساخت آن‌ها با هزینه پایین وجود دارد. در حال حاضر ساختارهای دیودی و آنتنی به کار رفته در رکتن خورشیدی با استفاده از روش طرح نگار الکترونی ساخته می‌شوند. هرچند این روش ساخت برای تولید در مقیاس‌های آزمایشگاهی و تحقیقاتی پرهزینه و وقت گیر است اما اگر این ساختارها در حجم وسیع و با روش مناسب تولید گردند، موجب کاهش هزینه و سرعت در فرآیند ساخت می‌شوند.

 

4- نتیجه‌گیری

در این مقاله ما با اصول و تئوری عملکرد سیستم رکتن خورشیدی جهت تولید الکتریسیته از نور خورشید آشنا شدیم، هر چند این فناوری همچنان در مرحله تحقیقاتی و مطالعاتی قرار دارد و تا تجاری‌سازی شدن آن راه زیادی باقی است اما با توجه به پوشش مناسب معایب سلول‌های خورشیدی فعلی از جمله راندمان پایین آن‌ها به‌وسیله‌ی این فناوری، بایستی در آینده‌ای نه چندان دور شاهد جایگزینی سلول‌های خورشیدی رایج امروزی با سلول خورشیدی رکتنی باشیم.

 

مراجع:

[1]     A. Sabaawi, C. Tsimenidis, and B.S. Sharif, “Bow-tie nano-array rectenna: design and optimization,” Loughborough Antennas and Propagation Conference (LAPC) , (2011) , pp.1975-1978.

[2]     G. Moddel, and S. Grover. “Rectenna Solar Cells”, 1st ed., Springer, New York, 2013.

[3]     Z. Ma, and A. Vandenbosch, “ Optimal solar energy harvesting of nano-rectenna system”, Solar Energy, 88 (2013) , pp.163-174.

[4]     M. Freebody, “ Research at the nano scale boosts green photonics”, Photonics Spectra, 45 (2011).

[5]     P. Biagioni, JS. Huang, and B. Hecht, “ Nanoantennas for visible and infrared radiation”, Rep Prog Phys, 75 (2012) , pp. 24-40.

[6]     P. Bharadwaj, B. Deutsch,and L. Novotny, “Optical antennas,” Advances in Optics and Photonics,1 (2009) , pp. 438–483.

[7]     A. Sabaawi, C. Tsimenidis, and B.S. Sharif ,“Analysis and Modeling of Infrared Solar Rectennas”, Quantum Electronics, 19 (2013) , pp.1-8.

[8]     M. Barei, B. N. Tiwari, A. Hochmeister, G. Jegert, U. Zschieschang, H. Klauk, B. Fabel, G. Scarpa, G. Koblmller, G. H. Bernstein, W. Porod, and P. Lugli, “Nano antenna array for terahertz detection,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 59 (2011) , pp. 2751–2757.

[9]     J. A. Bean, A. Weeks, and G. D. Boreman, “ Performance optimization of antenna-coupled tunnel diode infrared detectors,” Quantum Electronics, 47 (2011) , pp.126-135.

[10]  B.D. Mcpheron, “process development for a traveling wave terahertz detector,” NNIN REU Research Accomplishment, (2009) , pp.144-145.

[11]  R.Corkish, M.A. Green, and T. Puzzer, “ Solar energy collection by antennas”, Sol energy,73 (2002) , pp.395-401.

[12]  M. Bozzetti, G. de Candia, M. Gallo, O. Losito, L. Mescia, and F. Prudenzano, “ Analysis and Design of a Solar Rectenna,” Industrial Electronics (ISIE) , (2011) , pp. 2001-2004.