افزایش سرگیجه‌آور انرژی خورشیدی در ایالات متحده را در نظر بگیرید: طی دهه گذشته، ظرفیت خورشیدی تقریباً 900 درصد افزایش یافته است، با تولید برق در سال 2023 هشت برابر بیشتر از سال 2014. این جهش از سال 2022 تا 2023 به تنهایی 51 درصد است. با رکورد 32 گیگاوات (GW) تاسیسات خورشیدی آنلاین. در طول چهار سال گذشته، بیش از هر شکل دیگری از انرژی خورشیدی به شبکه اضافه شده است. انرژی خورشیدی نصب شده اکنون بیش از 179 گیگاوات است که برای تامین برق نزدیک به 33 میلیون خانه کافی است. وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) به قدری در مورد خورشید خوش بین است که برنامه های کربن زدایی آن از انرژی خورشیدی برای تامین 45 درصد از نیاز کشور به برق تا سال 2050 خواسته شده است.
اما رشد سریع انرژی خورشیدی مستلزم پیشرفت در فناوری، به ویژه برای بهبود کارایی و دوام مواد فتوولتائیک خورشیدی (PV) و ساخت است. اینجاست که Optigon، یک شرکت سه ساله خارج از MIT، قدم می گذارد.
Dane de Quilettes، 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 ممکن می‌سازد و بهینه‌سازی فتوولتائیک‌ها را به‌طور چشمگیری تسریع می‌کند.»
Optigon با ریشه در جامعه تحقیقاتی خورشیدی پر جنب و جوش MIT، آماده است تا فناوری را در سال 2024 به کار گیرد که معتقد است سرعت پروژه های خورشیدی و سایر انرژی های پاک را به طرز چشمگیری تسریع خواهد کرد.
فراتر از سیلیکون
سیلیکون، ماده پایه برای اکثر فتوولتائیک ها، از نظر 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 نرخ تبدیل انرژی تا 30 درصد دست یابند و سطوح بازدهی در دنیای واقعی در حدود دهه 20 باقی می ماند. اما فراتر از محدودیت های فیزیکی سیلیکون، مشکل دیگری برای بسیاری از محققان و صنعت خورشیدی در ایالات متحده و جاهای دیگر وجود دارد: چین بر بازار PV سیلیکون، از زنجیره تامین تا تولید، تسلط دارد.
دانشمندان مشتاقانه به دنبال مواد جایگزین هستند، یا برای بهبود ظرفیت تبدیل خورشیدی سیلیکون یا جایگزینی کامل سیلیکون.
در طول دهه گذشته، خانواده ای از نیمه هادی های با ساختار کریستالی که به نام پروسکایت ها شناخته می شوند، به عنوان نامزدی برای مواد فتوولتائیک نسل بعدی مطرح شده اند. دستگاه‌های پروسکایت با استفاده از فناوری چاپی که می‌تواند زنجیره تامین غول‌پیکری را که چین برای سیلیکون ساخته است دور بزند، خود را به فرآیند تولید جدیدی می‌رسانند. سلول های خورشیدی پروسکایت را می توان روی هم چیده یا روی سلول فتوولتائیک سیلیکونی قرار داد تا بازده تبدیل بالاتری حاصل شود. از آنجایی که فناوری پروسکایت انعطاف‌پذیر و سبک است، ماژول‌ها را می‌توان بر روی سقف‌ها و سازه‌هایی که نمی‌توانند PV سیلیکونی سنگین‌تر را پشتیبانی کنند، استفاده کرد و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد 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، جایی که فقدان یا معیوب بودن خواص نوری، الکتریکی یا ابعادی در ساختارهای بلوری در مقیاس نانو می‌تواند بر محصول نهایی تأثیر منفی بگذارد.
آنتونی تروپ ’21 یکی از بنیانگذاران و مدیر عامل Optigon می گوید: “فرایندهای واقعی اندازه گیری و تجزیه و تحلیل داده ها واقعاً بسیار کند هستند، زیرا باید از مجموعه ای از ابزارهای جداگانه استفاده کنید که بسیار دستی هستند.” ما می‌خواستیم ابزارهایی برای کشف ویژگی‌های یک ماده به‌طور خودکار بسازیم، تا مشخص کنیم که سلول خورشیدی خوب یا بد می‌سازد و سپس آن را بهینه کنیم.»
Brandon Moats ’21, ME ’22، یکی از بنیانگذاران، می گوید: “رویکرد ما چندین اندازه گیری نوری غیر تماسی را با استفاده از انواع مختلف منابع نور و آشکارسازها در یک سیستم واحد گرد هم آورد که با هم دیدی جامع از مقطع ماده ارائه می کند.” و CTO.
“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 در مورد محصولات در مقیاس عظیم و گیگاواتی در زمان واقعی بدست آوریم.” تروپا می گوید.
جوزف بری، مدیر کنسرسیوم ایالات متحده برای پروسکایت های پیشرفته و دانشمند تحقیقاتی ارشد در آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر، می گوید: این سیستم ساده، برخلاف ابزارهای سنتی، با یک ضربه انگشتان اندازه گیری می کند. “تکنیک های Optigon بسیار دقت و توان عملیاتی بالایی دارند، به این معنی که می توان از آنها در بسیاری از زمینه ها استفاده کرد که در آن بازخورد سریع و توانایی توسعه مواد بسیار بسیار سریع می خواهید.”
به گفته بری، فناوری Optigon می‌تواند به صنعت خورشیدی نه تنها مواد بهتری بدهد، بلکه توانایی پمپاژ محصولات فتوولتائیک با کیفیت بالا را با سرعتی سریعتر از آنچه در حال حاضر امکان‌پذیر است، می‌دهد. او می‌گوید: «اگر Optigon بتواند فناوری خود را به کار گیرد، ما می‌توانیم مواد مورد نیاز خود را با سرعت بیشتری توسعه دهیم و بارها و بارها با دقت مورد نیاز خود تولید کنیم.» این می تواند منجر به تولید نسل بعدی ماژول های خورشیدی با هزینه بسیار بسیار کمتر شود.
اندازه گیری تفاوت را ایجاد می کند
با کمک مالی تحقیقات نوآوری در کسب و کارهای کوچک از وزارت انرژی برای تجاری سازی محصولاتش و کمک مالی مرکز انرژی پاک ماساچوست، اپتیگون در انکوباتور فناوری آب و هوا آزمایشگاه گرین تاون در سامرویل، ماساچوست در فضا مستقر شد. 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 سلول های خورشیدی سبک، انعطاف پذیر و کم هزینه برای استقرار در جوامع روستایی در سراسر جهان ایجاد شد. هنگامی که DeQuilettes در سال 2017 به عنوان فوق دکترا به این گروه پیوست، او وظیفه رهبری برنامه و ایجاد زیرساخت برای مطالعه و ساخت ماژول های خورشیدی پروسکایت را بر عهده گرفت.
او به یاد می آورد: «بعد از اینکه مواد را ساختیم، سعی می کردیم بفهمیم که خوب است یا نه. «هیچ اندازه‌شناسی تجاری خوبی وجود نداشت [the science of measurements] ابزارهایی برای مواد خارج از سیلیکون، بنابراین ما شروع به ساخت ابزارهای اندازه‌شناسی خود برای مواد جدید خورشیدی کردیم.
«چهل نفر پرسیدند، اما وقتی براندون و آنتونی را دیدم، چیزی به صدا درآمد. واضح بود که ما یک مجموعه مهارت مکمل داشتیم. ما شروع به کار با هم کردیم، آنتونی با طراحی زیبا برای ادغام اندازه‌گیری‌های متعدد و براندون تخته‌هایی را برای کنترل تمام سخت‌افزار، از جمله انواع مختلف لیزر، ایجاد کرد. ما شروع به ثبت اختراعات متعدد کردیم و سپس دیدیم که همه آنها با هم جمع شده اند.
تروپ می‌گوید: «ما از ابتدا می‌دانستیم که اندازه‌شناسی می‌تواند نه تنها مواد، بلکه بازده تولید را نیز به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. DeQuilettes می افزاید: “هدف ما دستیابی به بالاترین مرتبه های بزرگی سریعتر از حد معمول بود، بنابراین ابزارهایی را توسعه دادیم که نه تنها برای آزمایشگاه های تحقیقاتی مفید هستند، بلکه برای خطوط تولید نیز برای ارائه بازخورد زنده برای کیفیت مفید هستند.”
Moats می‌گوید: دستگاه Optigon درجه صنعتی تقریباً به اندازه یک توپ فوتبال است، “با بسته‌های حسگر که در یک ضریب شکل کوچک قرار گرفته‌اند و اندازه‌گیری‌ها را در حالی که مواد مستقیماً در زیر آن جریان دارند، اندازه‌گیری می‌کنند.” ما همچنین راه‌هایی را به دقت در نظر گرفته‌ایم که تعامل با این ابزار را تا حد امکان لذت‌بخش کنیم و داده‌ها را هم به داشبوردی که اپراتور می‌تواند مشاهده کند و هم به یک پایگاه داده سفارشی تبدیل کنیم.»
فتوولتائیک ها تازه شروع کار هستند
ممکن است این شرکت قبلاً بازار خاص خود را پیدا کرده باشد. تروپ می‌گوید: «یک گروه تحقیقاتی برای استفاده از نمونه اولیه داخلی‌مان به ما پول پرداخت کرد، زیرا آنها نیاز شدیدی به دریافت این نوع اندازه‌گیری‌ها دارند،» و به گفته موتس، «مشتریان بالقوه از ما می‌پرسند که آیا می‌توانند این سیستم را بخرند یا خیر. DeQuilettes می‌گوید: «امید ما این است که تبدیل به شرکتی واقعی برای انجام هر نوع اندازه‌شناسی شخصیت‌شناسی در ایالات متحده و فراتر از آن شویم.»
چالش‌هایی پیش روی Optigon قرار دارند: راه‌اندازی محصول، تولید در مقیاس کامل، پشتیبانی فنی و فروش. آزمایشگاه های گرین تاون پشتیبانی می کنند، مانند جامعه غنی خود MIT از محققان و کارآفرینان خورشیدی. اما بنیانگذاران در حال بررسی مراحل بعدی هستند.
DeQuilettes می گوید: «ما محدود به حوزه فتوولتائیک نیستیم. ما قصد داریم در سایر مواد انرژی پاک مانند باتری ها و سلول های سوختی کار کنیم.
این به این دلیل است که تیم می خواهد حداکثر تأثیر را بر چالش آب و هوا بگذارد. ما در مورد پتانسیلی که ابزارهایمان برای کاهش انتشار کربن خواهند داشت بسیار فکر کرده‌ایم و تجزیه و تحلیل عمیقی انجام داده‌ایم که چگونه سیستم ما می‌تواند بازده تولید پنل‌های خورشیدی و سایر فناوری‌های انرژی را افزایش دهد و مواد و انرژی را کاهش دهد. ضایعات بیش از بهینه‌سازی معمولی، می‌گوید deQuilettes. اگر به همه 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.”
تیم مقیاس را در طرح تجاری خود نوشت. موتس می‌گوید: «ما می‌خواهیم یک عامل کلیدی در ارائه این فناوری‌های انرژی جدید به بازار باشیم. ما تصور می کنیم 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 ببینیم، احتمال زیادی وجود دارد که در نقطه‌ای اندازه‌گیری شده باشد.»