فناوری‌های نوظهور انرژی خورشیدی

با گرمایش زمین و همچنین نگرانی‌های ناشی از انتشار کربن در سال‌های اخیر، گذار از سوخت‌های فسیلی به سمت انرژی‌های پاک با جدیت بیشتری پیگیری می‌شود. همین امر باعث شده در زمینه فناوری‌های پاک، شاهد نوآوری‌های متعددی باشیم. در این شماره از رصدخانه استراتژیک و آینده‌پژوهی به بررسی مهم‌ترین فناوری‌های انرژی‌های خورشیدی که رکوردشکنی کرده‌اند و سهم کشورهای مدعی در این حوزه می‌پردازیم.

در سال 2023 میلادی، رکورد بهره‌وری در سلول‌های خورشیدی بارها شکسته شد. سرعت زیاد توسعه محصولات و نوآوری‌های مکرر در این زمینه باعث شد که تنها 5 ماه بعد از اولین رکورد، رکورد جدیدی در این زمینه ثبت شود. جالب است بدانید که 95 درصد از سلول‌های خورشیدی مورداستفاده امروزی از نوع سیلیکونی هستند؛ اما در دهه اخیر دانشمندان به تحقیق و توسعه سلول‌های پِروسکایتی (Perovskite) روی آورده‌اند.

بیشترین بهره‌وری سلول‌های سلیکونی زیر 30 درصد بوده و به لحاظ تئوری بهره‌وری سلول‌های پروسکایتی نزدیک به 26 درصد است. در محیط کنترل‌شده آزمایشگاهی، بهره‌وری سلول‌های چندپیوندی پروسکایتی بیش از 33 درصد است. در سلول‌های چندپیوندی (Tandem) خورشیدی از ترکیب سیلیکون و پروسکایت استفاده می‌شود. در ماه می 2023 میلادی، شرکتی پیشرو در زمینه تولید سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به نام آکسفوردپی‌وی (Oxford PV) موفق شد در مقیاس تجاری بهره‌وری سلول‌های چندپیوندی پروسکایتی را تا 28.6 درصد افزایش دهد که این در نوع خود رکوردی بزرگی محسوب می‌شد. چند ماه بعد و در ماه نوامبر، شرکت چینی پیشرو در زمینه انرژی خورشیدی یعنی لانگ‌آی (LONGI)، توانست به بهره‌وری 33.9 درصدی دست پیدا کند؛ بنابراین رکورد قبلی بار دیگر نیز شکسته شد.

بیل گیتس (Bill Gates) نیز یکی از افرادی بود که در سال 2023 بر روی این فناوری سرمایه‌گذاری کرد. شرکت سرمایه‌گذاری Breakthrough Energy که از زیرمجموعه‌های متعلق به اوست، تصمیم گرفته است تا بر روی استارت‌آپی به نام کیوبیک‌پی‌وی (CUBICPV) سرمایه‌گذاری کند تا ویفرهای سیلیکونی تولید کند. این ویفرها جزء اصلی از زنجیره تأمین انرژی خورشیدی هستند که چینی‌ها 97 درصد از بازار آن را کنترل می‌کنند. استارت‌آپ کیوبیک‌پی‌وی قصد دارد تا سال 2025 میلادی تأسیساتی به ارزش 1 میلیارد دلار برای تولید ویفرهای سیلیکونی راه‌اندازی کند.

به نظر می‌رسد که فناوری‌های پاک امروزی به سلاحی ژئوپلیتیکی تبدیل شده و کشورهایی که کنترل بیشتری بر روی زنجیره‌های تأمین این فناوری‌ها دارند، می‌توانند امنیت انرژی سایر کشورها را به خطر بیندازند. این نگرانی به‌خصوص در مورد زنجیره تأمین انرژی خورشیدی صدق می‌کند، جایی که چینی‌ها تقریباً تمام آن را به تصاحب خود درآورده‌اند. شکل شماره 1 بیانگر این موضوع است.

سرمایه‌گذاری آمریکایی‌ها بر روی تولید ویفرهای سیلیکونی نشان از اراده آن‌ها برای رهایی از سلطه چینی‌هاست. البته ژاپن نیز می‌تواند بازیگری کلیدی در این فرایند باشد. در تولید سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، یُد نقش مهی دارد. از این رو ژاپن که بعد از شیلی، دومین تولیدکننده بزرگ ید در جهان شناخته می‌شود، فرصت بی‌نظیری را برای تولید سلول‌های پروسکایتی خورشیدی در اختیار دارد. سوتومو میاساکا (Tsutomu Miyasaka) مخترع ژاپنی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی می‌گوید «ببینید چینی‌ها با نیمه‌رساناها چه می‌کنند. این کار، قلدری و زورگویی است.» منظور میاساکا تحریم‌های صادراتی چینی‌ها بر روی عناصری مانند گالیوم و ژرمانیوم مورد استفاده برای تولید ریزتراشه‌هاست. ژاپنی‌ها قصد دارند که سلول‌های خورشیدی پروسکایتی را خودشان تولید کنند. این فناوری که هنوز نتوانسته به‌طور گسترده و در مقایسه تجاری مورد استفاده قرار گیرد، می‌تواند نقشی کلیدی در تأمین برق کشورهای مختلف ایفا کند. برای مثال ژاپنی‌ها بعد از فاجعه هسته‌ای سال 2011 که به تعطیلی بسیاری از نیروگاه‌های هسته‌ای منتهی شد، 90 درصد از انرژی موردنیاز خود را وارد می‌کنند. به همین منظور نخست‌وزیر این کشور فومیو کیشیدا (Fumio Kishida) متعهد شده است که تولید سلول‌های خورشیدی پروسکایتی را ظرف دو سال آینده به مقیاس تجاری برساند. سلول‌های خورشیدی پروسکایت به‌عنوان یک فناوری فتوولتائیک پیشرفته برای پنل‌های خورشیدی، نوید پیشرفت در فناوری انرژی خورشیدی را می‌دهند. این سلول‌ها به نسبت سلول‌های سیلیکونی سنتی، بسیار مقرون‌به‌صرفه‌ترند و راندمان و انعطاف‌پذیری بیشتری در طراحی دارند. با این حال، چالش‌های مربوط به پایداری طولانی‌مدت سلول‌های پروسکایت باید از طریق تحقیقات مداوم برطرف شود. با حرکت جهان به سمت دست‌یابی به صفر خالص و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، تقاضا برای منابع انرژی تجدیدپذیر کارآمد در حال رشد است. سخن گفتن از اینکه پروسکایت به راه‌حل اصلی در انرژی خورشیدی تبدیل شود، زود است اما چنین امری بر تغییر اجتناب‌ناپذیر به سمت سلول‌های خورشیدی بهینه‌تر و کارآمدتر نسبت به سلول‌های سیلیکونی تأکید دارد.

منابع:

1.https://www.technologyreview.com/2024/01/08/1085124/super-efficient-solar-cells-breakthrough-technologies/

2.https://www.longi.com/en/news/new-world-record-for-the-efficiency-of-crystalline-silicon-perovskite-tandem-solar-cells/

3.https://www.forbes.com/sites/kensilverstein/2023/10/10/if-this-technology-breaks-through-solar-energy-will-skyrocket/

4.https://www.wsj.com/articles/bill-gates-backed-startup-plans-large-solar-power-component-plant-11671076779

5.https://www.statista.com/chart/24687/solar-panel-global-market-shares-by-production-steps/

6.https://www.wsj.com/business/energy-oil/chinas-solar-dominance-faces-new-rival-an-ultrathin-film-adbc2536

7.https://www.renewableinstitute.org/a-revolution-in-solar-power-perovskite-solar-cells/