بین سال‌های ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۰ اتحادیه اروپا طرحی تحقیقاتی را موسوم به چشم‌انداز ۲۰۲۰ اجرا کرده است. طبق تحلیل صورت گرفته توسط شبکه انرژی خورشیدی نانو به آدرس https://solar.nanoindustry.ir، در این طرح ۱۷۲ پروژه پژوهشی در حوزه سلول‌های خورشیدی و با بودجه‌ای در حدود ۳۴۳ میلیون یورو تعریف شده‌اند. توسعه فناوری و کاربردهای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، پروسکایتی، رنگدانه‌ای، آلی، معدنی، زیستی، نقاط کوانتومی و حالت جامد، لایه‌های‌نازک گالیوم‌آرسناید، مس‌‌ایندیوم‌گالیوم‌‌‌سلناید (CIGS)، سیلیکون آمورف و سه‌اتصاله و همچنین سنتز، مشخصه‌یابی و توسعه مواد مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی مانند شیشه‌های هادی، مواد فوتونیک، نانوکریستال‌ها، کامپوزیت‌های با قابلیت جذب نور و مواد خودتمیزشونده از مهمترین موضوعات در حال پژوهش در این طرح هستند. به‌علاوه تعدادی پروژه تحقیقاتی در زمینه سیستم‌های مدیریتی سلول‌های خورشیدی در حوزه‌های سرمایه‌گذاری و بازیافت سلول‌ها بعد از پایان عمر کاری نیز در دست انجام می‌باشند. ۱۳۳ گروه تحقیقاتی از ۲۵ کشور اروپایی به‌عنوان هماهنگ‌کننده (coordinator) این پروژه‌ها فعالیت می‌کنند. اسپانیا، انگلستان، آلمان و ایتالیا بیشترین فعالیت را در میان کشورهای اروپایی دارند و بخش عمده‌ای از بودجه تخصیص یافته به حوزه سلول‌های خورشیدی را دریافت می‌کنند. در حوزه توسعه محصول، تمرکز اتحادیه اروپا تولید الکتریسیته از طریق سلول‌های سیلیکونی است ولی در حوزه توسعه فناوری به‌دنبال سرمایه‌گزاری روی سلول‌های خورشیدی نوظهور برپایه پروسکایت‌ها و CIGSها برای جایگزینی با سیلیکون می‌باشد.
۱- حوزه‌های پژوهشی و بودجه تخصیص یافته
اتحادیه اروپا از سال ۲۰۱۴ طرحی موسوم به چشم‌انداز ۲۰۲۰ (Horizon 2020) را به‌عنوان بزرگترین برنامه تحقیقاتی و نوآوری خود با بودجه‌ای بالغ بر ۸۰ میلیارد یورو و با هدف جذب سرمایه‌گذاران خصوصی و دولتی و توسعه ایده‌های کارآمد آزمایشگاهی آغاز کرده است. از بین ۱۳۶۴۳ پروژه مورد حمایت اتحادیه اروپا در این چشم‌انداز، ۱۷۲ پروژه در حوزه سلول‌های خورشیدی قرار دارند. ۸۳ پروژه تا ابتدای سال ۲۰۱۹ میلادی به اتمام رسیده و مابقی هنوز در درست انجام هستند. از کل بودجه در نظر گرفته شده برای این طرح تاکنون در حدود ۳۴۳ میلیون یورو برای پروژه‌های مرتبط با سلول‌های خورشیدی اختصاص یافته است. با آنکه در چند سال اخیر نسل‌های جدید سلول‌های خورشیدی شامل لایه‌های نازک و ایده‌های نو در طراحی و ساخت بسیار مورد توجه گروه‌های تحقیقاتی و شرکت‌های دانش‌بنیان قرار گرفته‌اند اما کماکان بیشترین سهم پروژه‌های تعریف شده و همچنین بودجه تخصیص یافته در چشم‌انداز ۲۰۲۰ مربوط به سلول‌های خورشیدی نسل اول است. در شکل ۱ مقایسه‌ای بین سهم انواع نسل سلول‌های خورشیدی مورد حمایت در این چشم‌انداز نشان می‌دهد که بالغ بر ۴۹ درصد آنها با بودجه‌ای در حدود ۱۸۶ میلیون یورو در حوزه سلول‌های سیلیکونی می‌باشند. ۴۵ درصد پروژه‌های در حال انجام مربوط به سلول‌های نسل سوم (پروسکایتی، رنگدانه‌ای، آلی، معدنی، زیستی، نقاط کوانتومی و حالت جامد) هستند که بودجه مربوط به آنها در حدود ۱۳۹ میلیون یورو می‌باشد. سلول‌های خورشیدی نسل دوم (لایه‌های‌نازک GaAs، CIGS، سیلیکون آمورف و سه‌اتصاله) تنها ۶ درصد از کل پروژه‌های مرتبط با سلول‌های خورشیدی را با بودجه‌ای حدود ۱۸ میلیون یورو شامل می‌شوند [۱].
مطابق شکل ۲ تمرکز بیشتر این پروژه‌ها روی بهبود عملکرد و کاربردهای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، پروسکایتی، نقاط‌کوانتومی، آلی، گالیوم‌آرسناید (GaAs)، مس‌‌ایندیوم‌گالیوم‌‌‌سلناید (CIGS)، زیستی، معدنی و سه‌اتصاله است. همچنین توسعه مواد مرتبط با سلول‌های خورشیدی، سیستم‌های مدیریت انرژی و شبیه‌سازی نیز از دیگر زمینه‌هایی هستند که در این برنامه در حال تحقیق و توسعه می‌باشند.
۴۴ پروژه مورد حمایت در این چشم‌انداز با بودجه حدود ۱۰۲ میلیون یورو در زمینه تحقیق‌و‌توسعه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تک‌کریستال و پلی‌کریستال تعریف شده‌اند که هدف عمده آنها توسعه فناوری، بهبود بازدهی در تبدیل انرژی نورانی به الکتریکی، افزایش پایداری در شرایط محیطی، ایجاد مقاومت در برابر تغییرات آب‌و‌هوایی، مدیریت جذب و انعکاس نور و کاهش وزن ماژول می‌باشد. حدود ۵۶ میلیون یورو نیز صرف ۳۳ پروژه مرتبط به کاربرد سلول‌های خورشیدی سیلیکونی در حوزه‌هایی چون ساخت‌وساز، خودروسازی، نورپردازی، انرژی‌گرمایی، بویلر و تصویربرداری شده است.
سلول‌های خورشیدی پروسکایتی با ۲۷ پروژه و ۲۳ میلیون یورو بودجه در رده بعدی بیشترین سهم پروژه‌های مورد حمایت اتحادیه اروپا قرار دارند. عمده این پروژه‌ها بر بهبود کیفیت و پایداری ماده پروسکایتی هالید آلی-معدنی به‌عنوان جاذب نور و منبع الکترون متمرکزند تا به این وسیله بازدهی و پایداری سلول‌های خورشیدی را افزایش دهند. مقایسه تعداد پروژه‌های سلول‌های پروسکایتی و بودجه تخصیص شده به آنها با سایر حوزه‌های نسل سوم مانند نقاط‌کوانتومی، آلی، زیستی، رنگدانه‌ای، معدنی، حالت جامد و سه‌اتصاله نشان می‌دهد که روند تحقیقات در فناوری‌های نوین سلول‌خورشیدی به سمت مواد پروسکایتی رفته است. تعداد کم پروژه‌های مرتبط با رنگدانه در کنار بودجه اندک تخصیص یافته به آنها (۱٫۷ میلیون یورو) نیز حاکی از آن است که این دسته از سلول‌های خورشیدی که در سال‌های گذشته امیدواری زیادی بر تولید صنعتی آنها وجود داشت، در حال حاضر از گردونه رقابت خارج شده‌اند. به‌علاوه سرمایه‌گذاری ۷٫۵ میلیون یورویی در حوزه سلول‌های خورشیدی زیستی، که بیشتر از میزان بودجه اختصاص داده شده برای سلول‌های نقاط‌کوانتومی، رنگدانه‌ای، گالیوم‌آرسناید و حتی سلول‌های سیلیکونی آمورف می‌باشد، حکایت از آن دارد که در آینده تولید انرژی ارزان‌قیمت از طریق فوتوسنتز امکان‌پذیر است.
شاید مهمترین پروژه‌های نسل دوم سلول‌های خورشیدی مربوط به ۳ پروژه لایه‌نازک CIGS با بودجه تقریبی ۱۳ میلیون یورو می‌باشد که امید است تا انتهای سال ۲۰۲۰ بازدهی آنها را تا ۲۵ درصد افزایش دهند و گام مهمی در راستای تولید صنعتی این دسته از سلول‌های خورشیدی ارزان‌قیمت برداشته شود. همچنین ۳ پروژه با بودجه حدود ۰٫۶ میلیون یورو و ۳ پروژه با بودجه ۲٫۴ میلیون یورو به ترتیب در زمینه سلول‌های خورشیدی بر پایه لایه‌های نازک گالیم‌آرسناید و سیلیکون آمورف در حال انجام هستند.
در چشم‌انداز ۲۰۲۰ تعداد ۳۴ پروژه با بودجه حدود ۹۱ میلیون یورو در حوزه سنتز، مشخصه‌یابی و توسعه مواد مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی تعریف شده‌اند که ۵۶ درصد از آنها مربوط به سلول‌های نسل سوم، ۳۸ درصد در حوزه نسل اول و ۱۵ درصد مرتبط با نسل دوم کاربرد دارند. بهبود خواص شیشه‌های هادی (TCO)، مواد فوتونیک، نانوکریستال‌ها، کامپوزیت‌های با قابلیت جذب نور و مواد خودتمیزشونده از مهمترین موضوعات در حال پژوهش در این پروژه‌ها هستند. ۷ پروژه به ارزش کلی ۲۸٫۶ میلیون یورو در زمینه سیستم‌های مدیریتی سلول‌های خورشیدی در حوزه‌های سرمایه‌گذاری و بازیافت سلول‌ها بعد از پایان عمر کاری و یک پروژه با بودجه حدود ۰٫۲ میلیون یورو نیز در حوزه شبیه‌سازی آنها مورد حمایت اتحادیه اروپا قرار گرفته است [۱و۲].
۲- کشورها و گروه‌های تحقیقاتی پیشرو
۱۷۲ پروژه حوزه سلول خورشیدی در برنامه چشم‌انداز ۲۰۲۰ به ۱۳۳ گروه تحقیقاتی هماهنگ‌کننده (coordinator) واگذار شده‌اند که در ۲۵ کشور اروپایی واقع هستند. اسپانیا، انگلستان، آلمان و ایتالیا بیشترین تعداد پروژه را در میان کشورهای فعال دارند. این در حالیست که آلمان، اسپانیا، ایتالیا، سوئیس و انگلستان بیشترین سهم را از بودجه تخصیص یافته به حوزه سلول‌های خورشیدی را دریافت می‌کنند. مطابق شکل ۳ تمرکز بیشتر کشورهای فعال در چشم‌انداز ۲۰۲۰ روی توسعه و کاربرد سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، توسعه مواد و همچنین سلول‌های خورشیدی پروسکایتی است بطوریکه به ترتیب ۲۰، ۱۳ و ۱۱ کشور مختلف را درگیر کرده‌اند و بالغ بر ۲۷۱ میلیون یورو از کل بودجه حوزه سلول خورشیدی صرف این پروژه‌ها شده است. ۱۴ کشور نیز درحال انجام پروژه تحقیقاتی روی سایر انواع سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک می‌باشند.
از فعال‌ترین گروه‌های تحقیقاتی هماهنگ‌کننده به لحاظ تعداد پروژه در دست اقدام می‌توان به ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANN، FRAUNHOFER GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG، INTERUNIVERSITAIR MICRO-ELECTRONICA CENTRUM، THE CHANCELLOR, MASTERS AND SCHOLARS OF THE UNIVERSITY OF OXFORD و FUNDACIO INSTITUT DE CIENCIES FOTONIQUES اشاره کرد. توجه شود که بسیاری از این گروه‌ها در حال انجام پروژه‌های خود با همکاری سازمان‌های داخلی و خارجی مانند شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و پژوهشگاه‌ها می‌باشند (شکل ۴) [۱و۲].
۳- نتیجه‌گیری
بررسی طرح چشم‌انداز ۲۰۲۰ و پروژه‌های تعریف شده در آن نشان می‌دهد با آنکه در سال‌های اخیر فناوری نانو تحول گسترده‌ای در تولید سلول‌های خورشیدی لایه‌های نازک ایجاد کرده است، اما هنوز عمده سرمایه‌گذاری پژوهشی اتحادیه اروپا در حوزه بهبود عملکرد و توسعه کاربردهای سلول‌های خورشیدی نسل اول (ویفرهای سیلیکونی تک‌کریستال و پلی‌کریستال) می‌باشد. تقریبا تمامی کشورهای اروپایی پیشرو در حوزه سلول خورشیدی مانند سوئیس، آلمان، انگلستان، ایتالیا، سوئد و اسپانیا در حال انجام پروژه‌ای در حوزه این سلول‌ها هستند. سلول‌های نانوساختار و لایه‌نازک نیز در برخی از کشورها در حال تحقیق و توسعه می‌باشند که به نسبت سلول‌های نسل اول، میزان سرمایه تخصیص یافته و گروه‌های تحقیقاتی فعال کمتری دارند. در میان سلول‌های خورشیدی نسل جدید، سلول‌های پروسکایتی بیشترین تعداد گروه تحقیقاتی را مشغول خود کرده‌اند که احتمالا به علت رشد سریع بازدهی آنها در چندین سال گذشته بوده است که توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده‌اند. پژوهش روی محصولات جانبی سلول‌های خورشیدی مانند شیشه‌های هادی، کامپوزیت‌های با قابلیت جذب نور و مواد خودتمیزشونده نیز به لحاظ سرمایه مالی و انسانی درنظر گرفته شده جایگاه ویژه‌ای در تحقیقات روز اتحادیه اروپا دارند. در مجموع به‌نظر می‌رسد که در حال حاضر در حیطه توسعه محصول هدف اتحادیه اروپا تهیه برق ارزان‌قیمت از طریق سلول‌های سیلیکونی است و در کنار آن در حوزه توسعه فناوری به‌دنبال کمک به تحقیقات سلول‌های خورشیدی نوظهور مانند پروسکایت‌ها و CIGSها برای جایگزینی با سیلیکونی در سال‌های نه‌چندان دور می‌باشد. اطلاعات بیشتر در سایت شبکه انرژی خورشیدی نانو به نشانی https://solar.nanoindustry.ir منتشر شده است.
مراجع
[۱] The EU funding programme for research and innovation (Horizon 2020), https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en, retrieved 1 Feb 2019.
[۲] Guidelines on open access to scientific publications and research data in Horizon 2020, European Commission, retrieved 19 March 2014.