تصرف آینده روشن خورشیدی | اخبار MIT
صعود سرگیجه‌آور انرژی خورشیدی در ایالات متحده را در نظر بگیرید: در دهه گذشته، ظرفیت خورشیدی نزدیک به 900 درصد افزایش یافته است و تولید برق در سال 2023 هشت برابر بیشتر از سال 2014 بوده است. این جهش از سال 2022 تا 2023 به تنهایی 51 درصد بوده که یک رکورد بوده است. 32 گیگاوات (گیگاوات) تاسیسات خورشیدی آنلاین می شود. در چهار سال گذشته، بیش از هر شکل دیگری از تولید انرژی خورشیدی به شبکه اضافه شده است. انرژی خورشیدی نصب شده اکنون به بیش از 179 گیگاوات رسیده است که برای تامین برق نزدیک به 33 میلیون خانه کافی است. وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) آنقدر نسبت به خورشید خوش‌بین است که برنامه‌های کربن‌زدایی آن پیش‌بینی می‌کنند که انرژی خورشیدی تا سال 2050، 45 درصد از نیاز برق کشور را برآورده کند.
اما گسترش سریع خورشیدی مستلزم پیشرفت در فناوری است، به ویژه برای بهبود کارایی و دوام مواد فتوولتائیک خورشیدی (PV) و ساخت. اینجاست که Optigon، یک شرکت سه ساله MIT spinout، وارد می شود.
Dane DeQuilettes، بنیانگذار و مدیر ارشد علمی این شرکت، می گوید: «هدف ما ساخت ابزارهایی برای تحقیق و صنعت است که بتواند انتقال انرژی را تسریع بخشد. فناوری‌ای که ما برای انرژی خورشیدی توسعه داده‌ایم، اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل مواد را در آزمایشگاه و خط تولید امکان‌پذیر می‌کند و به‌طور چشمگیری سرعت بهینه‌سازی PV را افزایش می‌دهد.»
Optigon با ریشه در جامعه تحقیقاتی پر جنب و جوش MIT در زمینه انرژی خورشیدی، آماده عرضه فناوری در سال 2024 است که معتقد است سرعت انرژی خورشیدی و سایر پروژه های انرژی پاک را به شدت افزایش می دهد.
فراتر از سیلیکون
سیلیکون، ماده اصلی اکثر PVها، در بازدهی که می تواند در تبدیل فوتون های خورشید به انرژی الکتریکی به دست آورد، توسط قوانین فیزیک محدود شده است. سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون از نظر تئوری می توانند به سطوح تبدیل توان فقط 30 درصد برسند و سطوح بازدهی در دنیای واقعی در دهه 20 پایین شناور هستند. اما فراتر از محدودیت‌های فیزیکی سیلیکون، مسئله دیگری برای بسیاری از محققان و صنعت خورشیدی در ایالات متحده و جاهای دیگر وجود دارد: چین بر بازار PV سیلیکون، از زنجیره‌های تامین تا تولید، تسلط دارد.
دانشمندان مشتاقانه به دنبال مواد جایگزین هستند، چه برای افزایش ظرفیت تبدیل خورشیدی سیلیکون یا برای جایگزینی کامل سیلیکون.
در دهه گذشته، خانواده ای از نیمه هادی های ساختار بلوری معروف به پروسکایت ها به عنوان نسل بعدی مواد PV مطرح شده اند. دستگاه‌های پروسکایت خود را به یک فرآیند تولید جدید با استفاده از فناوری چاپ می‌رسانند که می‌تواند زنجیره تامینی را که چین برای سیلیکون ساخته است، دور بزند. سلول های خورشیدی پروسکایت را می توان روی یکدیگر قرار داد یا روی PV سیلیکونی لایه ای قرار داد تا بازده تبدیل بالاتری حاصل شود. از آنجایی که فناوری پروسکایت انعطاف‌پذیر و سبک است، می‌توان از ماژول‌ها بر روی سقف‌ها و سازه‌هایی که نمی‌توانند PV سیلیکونی سنگین‌تر را پشتیبانی کنند، استفاده کرد و هزینه‌ها را کاهش داده و طیف وسیع‌تری از دستگاه‌های خورشیدی یکپارچه در ساختمان را ممکن می‌سازد.
اما این مواد جدید نیاز به آزمایش دارند، هم در حین تحقیق و توسعه و هم در خطوط مونتاژ، که در آن خواص نوری، الکتریکی یا ابعادی از دست رفته یا معیوب در ساختارهای کریستالی در اندازه نانو می‌تواند بر محصول نهایی تأثیر منفی بگذارد.
Anthony Troupe ’21 یکی از بنیانگذاران و مدیر اجرایی Optigon می گوید: “فرایندهای واقعی اندازه گیری و تجزیه و تحلیل داده ها واقعاً بسیار کند بوده است، زیرا شما باید از مجموعه ای از ابزارهای جداگانه استفاده کنید که همگی بسیار دستی هستند.” ما می‌خواستیم ابزارهایی برای تشخیص خودکار ویژگی‌های یک ماده، برای تعیین اینکه آیا می‌تواند یک سلول خورشیدی خوب یا بد بسازد، و سپس برای بهینه‌سازی آن ارائه کنیم.»
Brandon Motes ’21, ME ’22, co می گوید: “رویکرد ما چندین اندازه گیری غیر تماسی و نوری را با استفاده از انواع مختلف منابع نور و آشکارسازها در یک سیستم واحد جمع آوری کرد که با هم یک نمای کلی و مقطعی از مواد ارائه می دهند.” – بنیانگذار و مسئول فنی.
می‌گوید: «این پیشرفت در دستیابی به مقیاس‌های زمانی میلی‌ثانیه‌ای برای جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها به این معنی است که ما می‌توانیم ابزارهای با کیفیت تحقیق را در نظر بگیریم و در واقع آنها را در یک سیستم تولید کامل قرار دهیم، و اطلاعات بسیار دقیقی درباره محصولاتی که در مقیاس عظیم و گیگاوات ساخته می‌شوند را در زمان واقعی دریافت کنیم». گروه.
جوزف بری، مدیر کنسرسیوم ساخت پروسکایت های پیشرفته ایالات متحده و یک دانشمند تحقیقاتی ارشد در آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر، می گوید: این سیستم ساده، برخلاف ابزارهای سنتی، اندازه گیری ها را «در تکان دادن انگشتان دست» انجام می دهد. «تکنیک‌های Optigon دقت بالایی دارند و به توان عملیاتی بالا اجازه می‌دهند، به این معنی که می‌توان از آنها در زمینه‌های زیادی استفاده کرد که در آن بازخورد سریع و توانایی توسعه مواد بسیار بسیار سریع می‌خواهید.»
به گفته بری، فناوری Optigon ممکن است نه تنها مواد بهتری را به صنعت خورشیدی بدهد، بلکه توانایی پمپاژ محصولات PV با کیفیت بالا را در یک گیره سریعتر از آنچه که در حال حاضر ممکن است می‌دهد. او می‌گوید: «اگر Optigon در به کارگیری فناوری خود موفق باشد، ما می‌توانیم مواد مورد نیاز خود را با سرعت بیشتری توسعه دهیم و بارها و بارها با دقت لازم تولید کنیم. این می تواند منجر به تولید نسل بعدی ماژول های PV با هزینه بسیار بسیار کمتر شود.
اندازه گیری تفاوت را ایجاد می کند
با کمک مالی تحقیقات نوآوری کسب و کارهای کوچک از DOE برای تجاری سازی محصولات خود و کمک هزینه ای از مرکز انرژی پاک ماساچوست، Optigon در فضایی در آزمایشگاه فناوری آب و هوایی Greentown Labs در سامرویل، ماساچوست مستقر شده است. در اینجا، تیم در حال آماده شدن برای عرضه اولین محصول تجاری خود در بهار امسال است که پیدایش آن در برنامه تحقیقاتی خورشیدی GridEdge MIT نهفته است.
به رهبری ولادیمیر بولوویچ، استاد مهندسی برق و مدیر MIT.nano، برنامه GridEdge با بودجه Tata Trusts برای توسعه سلول‌های خورشیدی سبک، انعطاف‌پذیر و ارزان برای توزیع در جوامع روستایی در سراسر جهان تأسیس شد. هنگامی که DeQuilettes در سال 2017 به عنوان یک فوق دکتر به این گروه پیوست، او وظیفه هدایت برنامه و ایجاد زیرساخت برای مطالعه و ساخت ماژول های خورشیدی پروسکایت را داشت.
او به یاد می‌آورد: «ما سعی می‌کردیم وقتی مطالب را درست کردیم بفهمیم که خوب است یا نه. «هیچ اندازه‌شناسی تجاری خوبی وجود نداشت [the science of measurements] ابزاری برای مواد فراتر از سیلیکون، بنابراین ما شروع به ساختن خود کردیم. با درک نیاز این گروه به تخصص بیشتر در مورد این مشکل، به ویژه در زمینه‌های مهندسی برق، نرم‌افزار و مکانیک، DeQuilettes برای کمک به ساخت ابزارهای اندازه‌شناسی برای مواد خورشیدی جدید، از محققان در مقطع کارشناسی دعوت کرد.
چهل نفر پرس و جو کردند، اما وقتی براندون و آنتونی را دیدم، چیزی صدا کرد. واضح بود که ما یک مجموعه مهارت مکمل داشتیم. ما با هم شروع به کار کردیم، آنتونی با طرح‌های زیبا برای ادغام اندازه‌گیری‌های متعدد و براندون تابلوهایی را برای کنترل همه سخت‌افزار، از جمله انواع مختلف لیزر، ایجاد کرد. ما شروع به ثبت اختراعات متعدد کردیم و این زمانی بود که دیدیم همه چیز در کنار هم قرار می گیرد.
Troupe می‌گوید: «ما از همان ابتدا می‌دانستیم که اندازه‌شناسی می‌تواند نه تنها مواد، بلکه بازده تولید را بسیار بهبود بخشد. DeQuilettes می افزاید: «هدف ما رسیدن به بالاترین مرتبه عملکرد سریعتر از حد معمول بود، بنابراین ابزارهایی را توسعه دادیم که نه تنها برای آزمایشگاه های تحقیقاتی بلکه برای خطوط تولید برای ارائه بازخورد زنده در مورد کیفیت مفید هستند.»
Motes می‌گوید: دستگاه Optigon که برای صنعت طراحی شده است به اندازه یک فوتبال است، “با بسته‌های حسگر که درون یک فاکتور شکل کوچک قرار گرفته‌اند و اندازه‌گیری‌هایی را با جریان مواد مستقیماً زیر آن انجام می‌دهند.” ما همچنین به دقت در مورد راه‌هایی فکر کرده‌ایم که بتوانیم تعامل با این ابزار را تا حد امکان لذت‌بخش کنیم، جریان داده‌ها هم به داشبوردی که یک اپراتور می‌تواند تماشا کند و هم به یک پایگاه داده سفارشی.»
فتوولتائیک فقط شروع است
این شرکت ممکن است قبلاً جایگاه بازار خود را پیدا کرده باشد. تروپ می‌گوید: «یک گروه تحقیقاتی برای استفاده از نمونه اولیه داخلی‌مان به ما پول پرداخت می‌کردند، زیرا آنها نیاز شدیدی به دریافت این نوع اندازه‌گیری‌ها دارند،» و به گفته موتس، «مشتریان بالقوه از ما می‌پرسند که آیا می‌توانند اکنون سیستم را بخرند یا خیر». DeQuilettes می‌گوید: «امید ما این است که شرکتی واقعی برای انجام هر نوع اندازه‌شناسی شخصیت‌شناسی در ایالات متحده و فراتر از آن باشیم.»
چالش‌هایی پیش روی Optigon قرار دارند: عرضه محصول، تولید در مقیاس کامل، کمک فنی و فروش. آزمایشگاه های گرین تاون پشتیبانی می کنند، مانند جامعه غنی خود MIT از محققان و کارآفرینان خورشیدی. اما بنیانگذاران در حال حاضر در مورد مراحل بعدی فکر می کنند.
دکویلتس می گوید: «ما خودمان را به حوزه فتوولتائیک محدود نمی کنیم. ما در حال برنامه ریزی برای کار در سایر مواد انرژی پاک مانند باتری ها و سلول های سوختی هستیم.
این به این دلیل است که تیم می خواهد حداکثر تأثیر را بر چالش آب و هوا بگذارد. ما در مورد پتانسیل ابزارهایمان در کاهش انتشار کربن بسیار فکر کرده‌ایم و تجزیه و تحلیل عمیقی انجام داده‌ایم که چگونه سیستم ما می‌تواند بازده تولید پنل‌های خورشیدی و سایر فناوری‌های انرژی، کاهش مواد و مواد را افزایش دهد. هدر رفت انرژی در بهینه سازی معمولی،” deQuilettes می گوید. اگر به تمام این بخش‌ها نگاه کنیم، می‌توان انتظار داشت که حدود 1000 میلیون تن دی‌اکسید کربن را جبران کنیم.2 [carbon dioxide] هر سال در آینده ای نه چندان دور.”
این تیم مقیاسی را در طرح تجاری خود نوشته است. Motes می‌گوید: «ما می‌خواهیم عامل اصلی ارائه این فناوری‌های انرژی جدید به بازار باشیم. ما تصور می کنیم که در هر خط تولیدی که این نوع مواد را تولید می کند مستقر شویم. هدف ما این است که قدم بزنیم و بدانیم که اگر یک پنل خورشیدی مستقر شده را ببینیم، احتمال بسیار بالایی وجود دارد که در مقطعی اندازه گیری شده باشد.