سلول های خورشیدی بر پایه دی اکسید تیتانیوم

دی اکســید تیتانیوم (TiO۲)

 دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) یک اکسید طبیعی تیتـانیوم است ،طیف وسیعی از کاربردها را دارد و دارای سه فاز فراپایدار است که به راحتی می توان آن را از طریق مسیرهای شیمیایی سنتز کرد. استفاده از TiO۲ در سلول های خورشیدی لایه نازک در افزایش عملکرد سلول توجه زیادی را به خود جلب کرده است. اهداف دی اکسید تیتانیوم در سلول های خورشیدی، برداشت انرژی آزادانه زمین و به دست آوردن حداکثر بازده انرژی است.استراتژی های مختلفی برای رویارویی با چالش های بهبود کـارایی سلول های خورشیدی به کار گرفته شده است.
در این مقـاله درباره سلول های خورشیدی بر پایه دی اکسیـد تیتانیوم بحث خواهیم کرد. پیشنهاد می کنیم این مقاله را تا انتها بخوانید.

اثـر فتـوولتـائیـک

 سلول‌های خورشیدی بر اساس اثر فتوولتائیک کار می‌کنند،فتوولتائیک پدیده‌ای است که در آن مواد خاصی هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید، جریان الکتریکی تولید می‌کنند. این اثر به دلیل برهمکنش فوتون ها (ذرات نور) با مواد نیمه هادی مورد استفاده در سلول خورشیدی رخ می دهد.

مواد نیـمه هـادی

 سلول های خورشیدی معمولاً از نیمه هادی ها ساخته می شوند که معمولاً از جنس سیلیکون کریستالی است و دارای خواص لازم برای تبدیل موثر نور خورشید به الکتریسیته می باشد. سایر مواد نیمه هادی مانند تلورید کادمیوم و مس ایندیم گالیم سلنید نیز در انواع خاصی از سلول های خورشیدی استفاده می شوند.

جریان الکترون و تولید جریان

 فوتون های جذب شده جفت الکترون-حفره را در ماده نیمه هادی ایجاد می کنند. اتصال p-n الکترون ها و حفره ها را از هم جدا می کند و یک میدان الکتریکی ایجاد می کند. این میدان الکتریکی باعث می شود که الکترون ها در یک جهت جریان پیدا کنند و جریان الکتریکی ایجاد کنند. سپس این جریان را می توان برای کاربردهای مختلف مهار کرد.

راندمـان و تـوان خـروجـی

 بازده سلول خورشیدی به درصد نور خورشید اشاره دارد که می تواند به برق قابل استفاده تبدیل شود. سلول های خورشیدی با راندمان بالاتر می توانند انرژی بیشتری برای یک منطقه خاص تولید کنند. تلاش‌های تحقیق و توسعه برای بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی با هدف به حداکثر رساندن فرآیند تبدیل انرژی ادامه دارد.

تولید اولین سلول های خورشیدی نامرئی با خواص منحصر به فرد دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) و اکسید نیکل (NiO) توسط پروفسور جوندونگ کیم و همکارانش از دانشگاه ملی اینچئون در کره جنوبی در مجله منابع انرژی در ژانویه ۲۰۲۱ منتشر شد. تیم تحقیقاتی تاکید کرد که TiO۲ یک نیمه رسانای ایده آل در سلول های خورشیدی است زیرا نور ماوراء بنفش نامرئی را جذب می کند و در عین حال به نور مرئی اجازه می دهد، از آنها عبور کند. علاوه بر این، سازگار با محیط زیست  و استفاده از آن را آسان تر می کند.
این مطالعه می تواند موجی از نوآوری را در حوزه سلول های فتوولتائیک (PVCs) به همراه داشته باشد. پنل‌های خورشیدی کنونی، مات هستند به این معنی که در پشت بام‌ها و مزارع خورشیدی دور افتاده قرار می‌گیرند. این محدودیت ها پروفسور جوندونگ کیم و همکارانش را برای یافتن مطالب جدید برانگیخت.
با راندمان تبدیل توان ۲.۱٪، عملکرد سلول کاملاً رضایت بخش بود، با توجه به اینکه تنها بخش کوچکی از طیف نور را هدف قرار می دهد. سلول ها در نور کم در حال فعالیت هستند.
علاوه بر این، بیش از ۵۷ درصد نور مرئی از طریق لایه‌های سلول منتقل می‌شود و به سلول جنبه شفاف می‌دهد.
محققان همچنین موفق شدند نشان دهند که سلول های خورشیدی چگونه می توانند انرژی یک موتور  کوچک راتامین کنند. پروفسور کیم تاکید کرد: "در حالی که این سلول خورشیدی  جدید هنوز در مراحل اولیه  کارخود است، نتایج ما قویاً نشان می دهد که برای بهینه سازی بهبود اثر فتوولتائیک شفاف،خواص نوری و الکتریکی سلول امکان پذیر است.
" تیم تحقیقاتی امیدوار است در آینده نزدیک کارایی سلول های خورشیدی را بهبود ببخشد. پتانسیل این فناوری در آینده انرژی پاک واضح است - این فناوری از طریق ادغام آن در طیف گسترده ای از مواد روزمره، دری را برای انرژی سبز شخصی سازی شده در سراسر بخش ها باز می کند.  

سلول های گراتـزل و نحوه عملکرد آنها

سلول های خورشیدی شفاف (Gratzel Cells)به افتخار مخترع خود،دانشمندانگلیسی(مایکل گراتزل)نامگذاری شده اند.به جای سیلیکون،به (TiO۲) متکی هستند.دی اکسید تیتانیوم ماده ای ارزان و در دسترس،که در همه چیز از رنگ هاگرفته تا سفیدکننده های قهوه استفاده می شود.در سلول‌های گراتزل (ذرات تیتانیوم دی اکسید) پوشیده شده بارنگی که درطیف وسیعی ازطول موج‌های ساطع شده توسط نورخورشید جذب شده است،بین دو الکترود در محلول الکترولیت حاوی یون‌های یدقرار می‌گیرد.
باتولید الکتریسته توسط سلول ها،انرژی جذب شده توسط رنگ خاص موجود بر روی ذرات تیتانیوم دی اکسید باعث می‌شود الکترون‌های موجود در مولکول‌های رنگ از یک مدار به مدار دیگرجهش کنند.سپس الکترون‌ها به سمت یک الکترود،منتشر می شوند.در حالی که یون‌های ید،الکترون‌ها را از الکترون دیگر برای بازسازی رنگ استفاده می کنند.