سلول خورشیدی

سلول خورشیدی 1390-02-03 میانگین امتیازات: 4.83/5 (تعداد:6)

‏

1- مسئله انرژي

دسترسي اقتصادي و پايا بودن منابع انرژي، دو مسأله حياتي براي پايدار ماندن زندگي بشر هستند. در ‏سال 2006، 87% کل مصرف انرژي جهان از سوزاندن سوخت هايي مانند نفت، گاز طبيعي و ذغال سنگ ‏تأمين شده است (شکل 1).‏ ‏ متأسفانه شواهد بسياري توليد منواکسيد کربن از سوزاندن سوخت هاي ‏فسيلي را اثبات مي کنند؛ انتشار منو اکسيد کربن، تغييرات جهاني آب و هوا و عواقب فجیعی به دنبال ‏خواهد داشت. اگرچه اقتصاد جهاني ما بر اساس سوختهاي فسيلي ساخته شده است ولي اين واضح است ‏که اين منابع پايدار نيستند و ما بايد وابستگي خود را به آنها کاهش دهيم و آنها را با منابع انرژي تجدید ‏پذير جايگزين نماييم.‏ ‏ البته اين يک چالش عظيم است زيرا ما در سال 2006، تقريبا 450 کادريليون بي ‏تي يو ‏ استفاده کرديم و بر اين اساس، در سال 2040، ما به دو برابر اين مقدار، حدود 900 کادريليون بي ‏تي يو نياز خواهيم داشت ؛ مصرف سالانه 900 کادريليون با توان متوسط 30 تراوات ، مطابقت خواهد ‏داشت.ا ‏

شکل 1- کاهش مصرف انرژی جهان بسته به منبع درسال 2006 (برحسب ترا وات)

‏30 تراوات چقدر بزرگ است؟ اگر ما تصميم بگيريم تا نصف اين مقدار انرژي (15 تراوات) را با انرژي ‏هسته اي عرضه کنيم، ما بايد هر روز براي هر 41 سال يک نيروگاه هسته اي با سايز متوسط 1000 ‏مگاوات بسازيم.‏ ‏ با برآورد پتانسيل انرژي ساير منابع تجديد پذير انرژي مانند باد، اتانول، هيدروژن و زمين ‏گرمايي، به همان نتيجه مي رسيم که مقدار مصرف انرژي بشر در مقايسه با آنچه از هر يک منابع ‏تجديدپذير حاصل مي شود، بسيار بيشتر است؛ البته اين مسأله در مورد نور خورشيد مستقيم، مستثني ‏است. اين گفته به اين منظور نمي باشد که انرژي بدست آمده از باد، هسته اي، هيدروژن و اتانول يک ‏قسمتي از ترکيب انرژي آينده نيستند، در واقع حتما شامل مي شوند. هرچند اگر ما بخواهيم يک خلأ در ‏مسأله ايجاد کنيم، ما بايد بدانيم چگونه نور خورشيد را به انرژي الکتريکي تبديل کنيم و/ يا با استفاده از ‏تکنولوژي هاي ارزان و پر بازده، زيرا خورشيد مي تواند در کمتر ازيک ساعت همه انرژي که ما در سال ‏‏2006 استفاده کرديم را عرضه کند. در واقع، اگر از انرژي خورشيدي در بخشي از بیابان ‏Sahara‏ به ‏مسافت 130000 مايل مربع ‏ (4 درصد کل صحرا) استفاده کنيم و نيز بازده سلول هاي خورشيدي و ‏باتری به ترتيب 15 و 50 درصد باشد، به ميزان 15 تراوات توليد خواهد نمود. يک مزرعه خورشيدي به ‏مساحت 10000 مايل مربع در جنوب غربي صحرا مي تواند کل انرژي الکتريکي مصرف شده در سال ‏‏2006 در آمريکا را عرضه کند.‏

2- پیشرفت های علمی سلول خورشیدی

فناوری تولید انبوه سلول خورشیدی با بازده 15% وجود دارد. در واقع در 3 دهه گذشته انواع مختلف ‏سلول خورشیدی توسعه یافتند که بعضی از آنها بازدهی نزدیک 40% دارند. به عنوان نمونه شکل 2 تکامل ‏رکورد بازده آزمایشگاه های مطرح و پیشرو در زمینه فناوری فتوولتائیک (‏PV‏) نشان می دهد.‏ ‏ البته ‏مدولهای بزرگ صنعتی که از هریک از این سلول های خورشیدی ساخته می شوند، بازدهی بین 50-70% ‏آنچه در آزمایشگاه بدست می آید (شکل 2) ارائه می کنند. به عنوان مثال سیستم ‏PV‏ بر پایه سیلیکون ‏کریستالی 13-17% بازده خواهد داشت اگرچه سلول های خورشیدی از این دست که در آزمایشگاه ‏ساخته می شوند بازدهی بالای 24% دارند. تا کنون گزارشها مقالات مروری بسیار زیاد و با کیفیت برای ‏جمعبندی نتایج توسعه و تحقیق در زمینه تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی نوشته شده است.‏ ‏ با ‏این وجود مروری بر پیشرفت های اخیر، مشکلات و اینکه چگونه نانوفناوری می تواند در حل مشکلات ‏موجود کمک کند، سود مند خواهد بود.‏
مسئله کلیدی همه فناوری های ‏PV‏ موجود هزینه زیاد آنهاست که با توجه به عمر مفید سلول های ‏خورشیدی، قیمت تولید برق آن به نسبت 10 به 3 (و گاهی بیشتر) بیش از قیمت بازار خواهد بود. به ‏عنوان مثال ادوات چند اتصال (‏multijunction‏) که بازده آنها در بالاترین قسمت شکل 2 قرار دارد تنها در ‏مواردی استفاده می شود بازده بالا نیاز است و قیمت اهمیتی ندارد مثل ماهواره ها. در این ادوات چندین ‏لایه نازک از نیمه هادی های مختلف روی هم چیده می شوند تا حد نهایی بازده تئوری نسبت به سلول ‏خورشیدی که از یک نیمه هادی ساخته می شود بالاتر باشد. تولید انبوه آنها گران قیمت است و به همین ‏دلیل قیمت برق تولید شده با این سلول ها بسیار گران تر از آن خواهد بود که با قیمت برق خانگی بازار ‏جهانی رقابت کند. در واقع تکنولوژی های قدیمی که در پایین این نمودار قرار دارند از لحاظ تولید انبوه ‏مشکلی ندارند اما چون از لحاظ بازده مقرون به صرفه نیستند در بازار جایگاه چندانی ندارند.‏
سلولهای خورشیدی که در وسط شکل 2 قرار دارند شامل آندسته فناوریهایی است که رقابت هزینه ‏ساخت، اعتبار و بازده در آنها بیش از سایر موارد منطقی است. تا کنون 70% بازار به سیلیکون پلی ‏کریستال و 15% به سیلیکون آمورف اختصاص یافته و عمده باقیمانده از آن ‏CdTe‏ و ‏CIGS‏ است.‏

شکل 2-تغییر رکورد بالاترین بازده انواع سلول خورشیدی در آزمایشگاه های مختلف

قیمت سیستم فتوولتاییک به صورت ‏‎ $/Wp‏ یعنی دلار به ازی یک وات تولیدی از سیستم فتوولتاییک، ‏عاملی است که هزینه سرمایه گذاری سیستم را به قیمت الکتریسیته ‏‎ $/kWphr‏ تبدیل می کند. هزینه ‏تولید سیستم و سود نهایی، دو فاکتور برای تعیین این قیمت هستند. در حال حاضر، بازارهای رقابتی- ‏تجاری سیستم های فتوولتاییک (آنهایی که بر اساس کریستال سیلیسیوم هستند) در حدود ‏‎6-8 $/Wp‏ ‏می فروشند. تقریباً نصفی از این هزینه ‏‎3-4 $/Wp‏ هزینه مدول (واحد) فتوولتاییک است. بهره وری و هزینه ‏ساخت مستقیم مدول فتوولتاییک (‏‎$/m2‎‏) تعیین کننده هزینه به صورت ‏‎$/Wp‏ می باشد.‏
برای مثال، دو مدول در نظر بگیرید، اولی با بازده 10% و هزینه ساخت ‏‎ 100 $/m2‎‏ و دومی با بازده 15% و ‏هزینه ساخت ‏‎150 $/m2‎‏. این دو تقریبا هزینه های یکسانی به صورت ‏‎$/Wp‏ دارند، اگرچه ممکن است، ‏سیستم با بازده کمتر، هزینه نصب کمی بیشتر داشته باشد. با این وجود این واضح است که هم هزینه و ‏هم بهره وری دو فاکتور مهم هستند.‏

اگر فتوولتاییک بخواهد با انرژی الکتریکی بدست آمده از ذغال و گاز طبیعی رقابت کند باید قیمت مدول ‏کمتر از ‏‎1 $/Wp‏ باشد و ترجیحا ‏‎0.33 $/Wp‏ باشد (هدف قرار داده شده در سازمان انرژی آمریکا). این ‏منطقی است تا بپرسیم، آیا این هدف از طریق کاهش هزینه ها با تکنولوژی های موجود دست یافتنی ‏است یا خیر.‏
بهترین پروژه های ما بر پایه شکل 3 هستند؛ که محورعمودی قیمت مدول فتوولتاییک تاریخی (قدیمی) و ‏محور افقی، تولید بر حسب وات است. این شکل نشان می دهد که قیمت مدول فتوولتاییک حدود 20% ‏برای هر دو برابر کردن تولید، کاهش می یابد. به این شکل اصطلاحاً "80% منحنی یادگیری" گفته می ‏شود. ‏
با فرض نرخ رشد ثابت 25% در هر سال و اینکه منحنی یادگیری همان شکل 3 باشد، ‏‎1 $/Wp‏ و ‏‎0.33 ‎‎$/Wp‏ با بهبودها و کاهش هزینه ها در تکنولوژی های موجود، در سال های به ترتیب 2018 و 2033 ‏دست یافتنی هستند.‏
حدود سال 2033، ستون فتوولتاییک در شکل 1، 4/2 تراوات می شود، تقریبا 10 درصد کل مصرف ‏تخمین زده جهان می شود. این یک سناریو خوشبینانه است برای تکنولوژی های موجود، قیمت مدول ‏فتوولتاییک بین ‏‎1-1.5 $/Wp ‎‏ خواهد بود. واضح است که برای رسیدن به این اهداف تحقیقات و کشفیات ‏جدید کرد. یک ایده این است اختراعات و کشفیات این حیطه نانو تکنولوژی را در بر دارد.‏

3- مبانی فتوولتائیک

3-1- تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی

پیش از اینکه به خواص ممتاز نانوساختارها در فتوولتائیک پرداخته شود بایستی بدانیم چه چیزی نیاز ‏است تا انرژی نور را به بارهای الکتریکی تبدیل کنیم.‏ ‏ ساده ترین طراحی سلول خورشیدیکه در شکل ‏‏4-‏a‏ آمده اتصال دو ماده ‏A‏ و ‏B‏ است که حداقل یکی از آنها بایستی نور خورشیدی را جذب کرده و ‏بارهای منفی و مثبت تولید کند. این بارها از هم جدا شده و بسوی دو الکترود پیش می روند. بطور ‏معمول هردو ماده ‏A‏ و ‏B‏ از سیلکون تشکیل شده اند اما آلایش متفاوتی دارند تا به اصطلاح اتصال ‏p-n‏ ‏تشکیل شود. یکسو (سمت ‏A‏) با اتم ناخالصی مثلاً فسفر آلوده شده که الکترون آزاد به سیلیکون وارد می ‏کند (برای نوع ‏n‏) در حالیکه سوی دیگر (‏B‏) با اتم ناخالصی مثل برم که بار مثبت آزاد وارد می کند (برای ‏نوع ‏p‏) که در فیزیک حالت جامد از این بار مثبت به عنوان حفره یاد می شود. این بارها حامل جریان ‏الکتریکی این ادوات هستند و همچنین در فصل مشترک اتصال ‏p-n‏ میدان الکتریکی ایجاد می کنند. ‏زمانی که فوتونهای نور خورشید به فصل مشترک می رسند الکترون حفره ایجاد می کنند و میدان ‏الکتریکی یاد شده بارها را جدا کرده و نور را به الکتریسیته تبدیل می کند. در حقیقت به استثنای تعداد ‏محدودی از طرحهای سلول خورشیدی در گروه فتوولتائیک، سایر سلول های خورشیدی نمودار 2 بر ‏مبنای اتصال ‏p-n‏ طراحی شده اند. البته در بسیاری از نیمه هادیهای غیر از سیلیکون و همچنین چند ‏اتصال بجای تک اتصال بهره می برند.‏

شکل 4- نمایش مفهومی 2 نوع سلول خورشیدی ساده

اگر در ساخت یک سلول خورشیدی از یک ماده نیمه هادی استفاده شود، مثلاً سیلیکون، در این صورت ‏یک حد نهایی برای بازده وجود خواهد داشت که برای این سلول دست یافتنی است. این محدودیت به ‏Shockley-Queisser‏ مشهور است و برای سیلیکون حدوداً 30% می باشد.‏ ‏ سایر نیمه هادیهای مناسب ‏سلول خورشیدی نیز حد نهایی چندان متفاوتی از سلیکون ندارند. این در حالی است که بهترین بازده ‏بدست آمده از سلول سیلیکون کریستالی در آزمایشگاه نزدیک به این حد یعنی 24% است. اگرچه بازده ‏مدول انواع صنعتی از نصف این حد یعنی 15% تجاوز نمی کند. اگرچه انتظار می رود سلول های صنعتی ‏این گاف را کاهش دهند اما شرایط کاری مدولهای صنعتی از شرایط ایده آل که ‏Shockley-Queisser‏ ‏برای محاسبه حد نهایی در نظر گرفتند فاصله بسیار داشته و به نظر نمی رسد سلولهای خورشیدی واقعی ‏بر مبنای فناوری سیلیکون به این حد برسند. طبیعتاً بحث اخیر راجع به سلولهای چند اتصال و سایر انواع ‏که حد نهایی بازده بالاتری دارند صادق نخواهد بود.‏
روش دیگری که برای ساخت سلولهای خورشیدی به کار می رود این است که بین ‏A‏ و ‏B‏ ماده جدیدی ‏همچون ‏C‏ وارد کنیم که این ساختار در شکل 4-‏b‏ آمده. در این مورد ماده ‏C‏ نور را جذب کرده و ‏الکترون-حفره ایجاد می کند. در ادامه الکترون- حفره تحویل ‏A‏ و ‏B‏ می شوند و سپس به الکترود فلزی ‏منتقل شده تا جریان الکتریکی ایجاد کنند. در هردو طراحی شکل 4 دو مرحله کلیدی وجود دارد که بازده ‏تبدیل نور خورشید به الکتریسیته را تعیین می کند. در مرحله اول باید میزان زیادی ماده کافی موجود ‏باشد تا بخش مشخصی از فوتون های خورشیدی جذب شود. در دومین مرحله، پس تولید انبوه الکترون- ‏حفره همه آنها باید جدا شده و به دو سوی سلول حرکت کنند بدون اینکه هیچ باری از دست برود. ‏الکترون و حفره قادرند یکدیگر را خنثی کنند و در این صورت انرژی خورشیدی جذب شده برای تولید ‏آنها به گرم شدن سلول خورشیدی منجر می شود بدون اینکه جریان الکتریکی ایجاد کند. این فرایند به ‏باز ترکیب شناخته می شود بایستی کاسته شود تا بیشینه جریان تولید شود. واضح است که باز ترکیب در ‏ساختار های بدون عیب در حالت کمینه قرار دارد لذا مواد سلولهای خورشیدی با بالاترین بازده در دمای ‏بالا و محیط پاکیزه ساخته می شوند تا ترکیبات کریستالین و بدون عیب حاصل شود که در این صورت ‏هزینه ساخت افزایش پیدا می کند.‏

3-2- محدودیت ‏Shockley-Queisser‏ حد بازده تئوری

در یک نیمه هادی که درحالت بالک قرار دارد الکترونها و حفره ها ترازهایی را اختیار می کنندکه این ‏ترازها تمایل دارند به هم فشرده و نوارهای مجاز و گاف تشکیل دهند. گاف بین نوارهای انرژی گاف انرژی ‏نامیده می شود و با ‏Eg‏ نمایش داده می شود. نوار انرژی بالاتر نوار هدایت و نوار پایینی نوار ظرفیت ماده ‏بالک هستند (شکل 5). از آنجایی که هیچ تراز انرژی در گاف قرار ندارد الکترون- حفره نمی توانند انرژی ‏متناظر با نواحی درون گاف داشته باشند لذا به گاف انرژی نوار ممنوعه نیز گفته می شود. بنابراین زمانی ‏که نور به یک نیمه هادی می تابد تنها فوتون هایی که انرژیهای بیش از گاف دارند قادر خواهند بود که ‏الکترونها را از نوار ظرفیت به نوار هدایت بالا ببرند مانند فوتونهای 2 و3 در شکل 5. این پدیده پیامدهای ‏جدی بر روی عملکرد سلولهای خورشیدی خواهد داشت زیرا نشان می دهد تنها بخشی از فوتونهای تابیده ‏شده توسط سلول جذب خواهد شد و فوتونهایی با انرژی کمتر از گاف تلف خواهند شد مثل فوتون 1 در ‏شکل 5. ‏

شکل 5- شمای ساختار الکترونی یک نیمه هادی شامل نوارها و گاف انرژی

اتلاف انرژی از طریق گاف یکی از دلایل محدودیت ‏Shockley-Queisser‏ می باشد و در نتیجه مثلاً بازده ‏سلول سیلیکون بجای 100% حدود 30% است. اگر انرژی فوتون بیش از گاف انرژی باشد، مانند فوتون 3 ‏در شکل 5، قادر است الکترون را به نوار هدایت بالا ببرد اما این الکترون تمایل دارد به سرعت به پایین ‏نوار هدایت آمده کم ترین انرژی را اختیار کند لذا انرژی اضافی خود را از دست می دهد. این انرژی در ‏واقع تلف نمی شود بلکه بصورت فونون ظاهر شده منجر به گرم شدن سیستم خواهد شد و گم شدن در ‏اینجا به معنی دور شدن از هدف یعنی بصورت جریان از سلول خورشیدی دریافت نمی شود. بنا براین ‏پدیده که ما آنرا تابش فونون می نامیم دیگر نمی توان در سلول خورشیدی از نیمه هادیهایی که گاف ‏باریک دارند استفاده کنیم تا بتوان بخش گسترده ای از نور را جذب کرد زیرا اگر تمامی نور را هم جذب ‏کنیم بخش زیادی از آن به شکل حرارت تلف می شود و به الکریسیته تبدیل نمی شود. رقابت این دو ‏پدیده یعنی عدم جذب و تابش فونونی حد نهایی ‏Shockley-Queisser‏ را تعیین می کند.‏

‏3-3- انواع سلول خورشید

مواد متفاوت در سلول های خورشیدی بازده مختلفی از خود نشان می دهند و هزینه های نابرابری دارند. ‏به علاوه برای استفاده از خواص متفاوت مواد هندسه سلول خورشیدی هم تفاوت خواهد داشت اما همه ‏آنها باید قابلیت جذب بخشی از طیف نور مرئی را دارا هستند. بعضی از آنها طوری طراحی شده اند که ‏طول موج های نور خورشیدی که به زمین می رسد با کارایی مناسب تبدیل می کنند و بعضی دیگر ‏اساساً برای جذب نور در حوالی اتمسفر زمین بهینه شده اند مثل سلول های خورشیدی ماهواره ها.‏
موادی که امروزه برای سلول های خورشیدی فتوولتائیک استفاده می شوند عبارتند از: تک کریستال ‏سیلیکون، پلی کریستال سیلیکون، سیلیکون آمورف، کادمیم تلوراید (‏CdTe‏) و مس ایندیم سلناید ‏‏(‏CIS‏).‏ ‏ ‏
اغلب سلول های خورشیدی موجود حال حاضر از مواد بالک ساخته می شوند که به شکل ویفری با ‏ضخامت‎ ‎بین 180-240 میکرومتر برش داده می شوند. سایر سلول ها خورشیدی همچون لایه های نازک، ‏رنگ های آلی و پلیمرهای آلی روی یک زیرلایه نگهدارنده لایه نشانی می شوند. گروه سومی هم وجود ‏دارد که از نانو کریستالها ساخته شده و از نقاط کوانتمی (نانوذراتی که محدودیت کوانتمی دارند) بهره می ‏برد. در این میان تنها ماده ای در تمامی حالات و بالک و نانوساختار بررسی شده سیلیکون است.‏

‏3-3-1- سیلیکون کریستالی

مرسوم ترین ماده بالک برای سلول خورشیدی سیلیکون کریستالی است که به سیلیکون نوع خورشیدی ‏هم مشهور است. سیلیکون بالک بر اساس کریستال و اندازه آن به چند گروه تقسیم می شود.‏

‏3-3-1-1- سیلیکون تک کریستال (‏CSi‏)‏

معمولاً با فرایند ‏Czochralski‏ ساخته می شود و شمش سیلندر شکل بعد از دو مرحله برشکاری به شکل ‏مربع در خواهد آمد لذا دور ریز زیادی دارد و همه اینها باعث افزایش قیمت آن می شود.‏

شکل 6- سلول تک کریستال سیلیکون

3-3-1-1- سیلیکون پلی کریستال (‏polySi‏)‏

این نوع سیلیکون با ریخته گری سیلیکون در یک غالب چهار گوش حاصل می شود و با دقت سرد و ‏منجمد می شود. اگر چه تولید آن از تک کریستال ارزانتر است اما بازده پایینتری دارد.‏

شکل 7-سلول سیلیکون پلی کریستال

3-3-2- لایه نازک

این دسته از سلول ها از لایه نشانی یک یا چند لایه نازک روی زیر لایه حاصل می شود. دامنه ضخامتهای ‏لایه نازک از چند نانومتر تا چند 10 میکرومتر متغیر است. فناوری لایه نازک چون می تواند میزان مواد ‏مورد استفاده جهت ساخت سلول خورشیدی را کاهش دهد مورد توجه قرار گرفته است. ‏

‏3-3-2-1- سیلیکون لایه نازک

‏معمولاً آنرا به روش ‏CVD‏ پلاسمایی (‏PECVD‏) از سیلان و هیدروژن تهیه می کنند و با کنترل پارمترها ‏می توان لایه نازک آمورف (‏ASi‏)، نانوکریستالی (‏NCSi‏) و یا پلی کریستال بدست آورد. ‏
سیلیکون پلی کریستال که به این شیوه تولید می شود ارزانتر از تک کریستال خواهد بود اما این کاهش ‏قیمت به پایین آمدن بازده نیز منجر می شود. سلول های سیلیکون لایه نازک طرفدار بیشتری نسبت به ‏سایر انواع سیلیکون دارند زیرا قیمت، انعطاف و وزن مناسبی دارند.‏
ساختار آمورف سیلیکون از ساختار کریستالی آن گاف انرژی بزرگتری دارد یعنی تمایل دارد بجای بخش ‏مادون قرمز نور بخش مرئی آنرا جذب نماید. سیلیکون نانوکریستالی گافی مشابه سیلیکون کریستالی دارد ‏و معمولاً با کنترل فرایند می توان لایه نازکی آمورف حاوی نانوکریستال ایجاد کرد. این لایه نازک که ‏tandem cell‏ نامیده می شود بخش بیشتری از نور خورشید را جذب می کند یعنی فاز آمورف قسمت ‏مرئی نور و فاز نانوکریستالی قسمت مادون قرمز نور را جذب می کند.‏
بطور کلی لایه نازک سیلیکون قابلیت بهینه سازی داشته و تحقیقات زیادی را به خود اختصاص داده. ‏تکنیک ها علملیات حرارتی نیز می تواند خواص آنها بهبود بدهد و بازده سلول نهایی را افزایش دهد.‏

‏3-3-2-2- مس (ایندیم گالیم) سلناید (‏CIS/CIGS‏)‏

مس ایندیم گالیم سلناید (‏CIxG1-xS2‎‏) نوعی نیمه هادی ‏I-III-VI2‎‏ با گاف مستقیم است (کمینه نوار ‏هدایت کاملاً مقابل بیشینه نوار ظرفیت قرار گرفته مانند سیلیکون) که در حقیقت محلول جامد مس ‏ایندیم سلناید (‏CIS‏) و مس گالیم سلناید (‏CGS‏) است. در بین سلول های خورشیدی لایه نازک بیشترین ‏بازده (20%) را داراست.‏ ‏ در گذشته به روش تبخیر همزمان و اسپاترینگ ساخته می شد اما امروزه به ‏روش شیمیایی تر و بدون نیاز به خلاء در ‏IBM‏ و ‏Nanosolar‏ ساخته می شود و این یعنی به لحاظ هزینه ‏هم بزودی به ارزانترین سلول خورشیدی تبدیل می شود.‏

شکل 8- سطح مقطع سلول خورشیدی ‏CIGS‏ بصورت شماتیک (راست) و تصویر ‏SEM‏ (چپ)‏

3-3-2-3- کادمیم تلوراید (‏CdTe‏)

‏در یک سلول خورشیدی کادمیم تلوراید از لایه نازک ‏CdTe، یک نیمه هادی، جهت تبدیل نور به ‏الکتریسته استفاده می شود. سلول خورشیدی ‏CdTe‏ تنها سلولی است که در ارزانی رکورد سیلیکون ‏کریستالی را می شکند بويژه در سیستم های چند کیلوواتی.‏ ‏ دلیل ارزانی این است که در یک متر مربع ‏از این سلول خورشیدی مقدار کادمیم به کار رفته کمتر از یک باتری نیکل کادمیوم است.‏

شکل 9- سطح مقطع سلول خورشیدی لایه نازک ‏CdTe

کادمیوم موجود در این سلولها در صورت رها شدن سمی خواهد بود اگرچه در عملکرد معمولی آن چنین ‏امکانی وجود ندارد.‏

‏3-3-2-4- گالیم آرسناید اتصال چندگانه (‏MJGaAs‏)‏

تفاوت اصلی این سلول با تک کریستال سیلیکون در این است که بجای یک اتصال ‏p-n‏ چندیدن اتصال در ‏آن وجود دارد. مثلاً در سلول سه اتصال از سه نیمه هادی ‏GaAs، ‏Ge‏ و ‏GaInP2‎‏ بهره می برند و هر یک از ‏این نیمه هادی هادی گاف مخصوص به خود را داراست و هریک بخشی از طیف نور را جذب کرده بازده ‏به شدت افزایش پیدا می کند.‏ ‏ رکورد بشترین بازده (42.3%) به سه اتصال متافورمیک اختصاص دارد که ‏کاوشگر مریخ در حال حاضر از آن بهره می برد.‏ ‏ سلول چند اتصال با بازده بالا در حقیقت برای مصارف ‏خاص مثل ماهوره توسعه یافتند، اما امروزه ساخت آنها کم هزینه تر شده است.‏
معمولا این سلول به شیوه لایه نشانی شیمیایی از فاز بخار ارگانومتالیک (‏MOCVD‏) ساخته می شوند اما ‏امروزه شیوه ‏MBE‏ مورد توجه قرار گرفته زیرا کیفیت کریستال بدست آمد قابل قبول و تولید انبوه امکان ‏پذیر است.‏‎ ‎

شکل 10- ‏a‏) سطح مقطع سلول خورشیدی گالیم آرسناید اتصال چندگانه و نمایش سلولهای بالایی، میانی ‏و پایینی ‏b‏) طیف جذبی سه سلول بالایی، میانی و پایینی در مقایسه با طیف دریافتی از تست استاندارد ‏AM 1.5‎‏.17‏

3-3-2-5- مخلوط آلی/ پلیمر

سلول های خورشیدی آلی نسبتاً فناوری جدیدی هستند که درحال حاضر مراحل اولیه خود را طی می ‏کنند. این سلول ها از یک محلول قابل اعمال هستند و بایک فرایند ساده چاپ که امکان تولید انبوه و ‏ارزان آنها را مقدور می کند. با توجه به اینکه این سلول در ردیف سلول های مبتنی بر نانوساختار قرار می ‏گیرد در ادامه خواهد آمد فعلاً از آن اغماض می کنیم.‏

‏3-3-2-6- رنگ جاذب نور

سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ (‏DSSC‏) از مواد ارزان تهیه می شوند و برای ساخت آنها ‏نیازی به تجهیزات دقیق نیست بنابراین می توان آنها را در هرجایی مثل کاردستی ساخت. از آنجا در ‏بخش های بعدی کاملاً بحث خواهد شد در اینجا فقط به همین مقدار اکتفا می کنیم.‏

شکل 11- شمایی از سلول خورشیدی حساس شده با رنگ

3-3-3- سلول های خورشیدی نقطه کوانتمی (‏QDSC‏)‏

سلول های خورشیدی نقطه کوانتمی این پتانسیل را دارند که بیشنه امکان پذیر بازده را 66% افزایش ‏دهند. با به خدمت گرفتن بارهای تولید گرم می توانند ولتاژ بالاتر یا جریان بالاتری تولید کنند. ‏
همانطور که در بخش 3-2 آمد یکی از عواملی که بازده سلولهای خورشیدی را محدود می کند هدر رفتن ‏بخشی از انرژی فوتونی است که بیش از اندازه گاف انرژی دارد. الکترون برای تهییج از نوار ظرفیت به نوار ‏هدایت تنها به اندازه گاف انرژی لازم دارد حال اگر فوتونی که الکترون را تهییج می کند بیش از گاف ‏انرژی داشته باشد مابقی آن تلف می شود.‏
برای حل مشکل یک روش استفاده از اتصال چند گانه است که در بخش 3-3-2-4 آمد. اما روش دیگر ‏استفاده از حامل های گرم (الکترون و حفره ریلکس نشده) است پیش از آنکه در لبه نوار ریلکس شده و ‏فونون تابش کنند.‏ ‏ دو روش اساسی برای استفاده از حاملهای گرم و بهبود دادن تبدیل فوتون وجود دارد. ‏یک روش تولید فتوولتاژ بهبود یافته است و راه دیگر فتو جریان بهبود یافته تولید می کند. ساختارهایی ‏که چنین خواصی ارائه می کنند در بخش 5 مطرح خواهند شد.‏

4- مزایای مواد نانوساختار

در این بخش به ارتباط بین فتوولتائیک و مواد نانوساختار پرداخته می شود. نیمی از یافته هایی که در در ‏نمودار 2 آمده از مواد نانوساختار بهره می گیرند. توجه کنید که در نیمه دیگر نیز از لایه نازک بهره ‏برداری شده که با اندکی اغماض می توان آنها را نیز در شمار نانوساختارها به حساب آورد. ‏
مشابه شکل 4، ایده اصلی این است که در فصل مشترک دو نوع نیمه هادی با استفاده از جذب انرژی ‏خورشیدی، الکترون- حفره ایجاد شود و با جدا کردن آنها جریان ایجاد کرد. انتخاب نیمه هادیهای مناسب ‏طوریکه بیشترین الکترون- حفره را تولید کنند و بارها را بدون ترکیب مجدد به الکترود هدایت کنند ‏چالش پیشروی سلول های خورشیدی است. مواد نانو ساختار همچون نانوذرات و نانوسیم ها خواص ‏ممتازی دارند که در ادوات فتوولتائیک می توان از آنها بهره گرفت.‏

‏4-1- سطح زیاد

اول اینکه سیستمهای نانو نسبت سطح به حجم بسیار زیادی را مهیا می کنند که آنها را قادر می سازد ‏فصل مشترک بسیار بزرگی بین ‏A‏ و ‏B‏ و یا ‏C‏ (شکل 4) در حجم بسیار کم ایجاد کنند. این مزیت یعنی ‏افزایش چگالی فصل مشترک باعث افزایش سطح جاذب نور می شود و به نوبه خود کارایی را افزایش می ‏دهد. توجه کنید که دراینجا اگر از فیلمی با ضخامت نانومتری استفاده کنیم به لحاظ سطح مشترک ‏مزیتی نخواهد داشت لذا در ابتدای مبحث آنها را متمایز کردیم. ‏
سطح یا فصل مشترک بسیار زیادی که نانوساختارها مهیا می کنند علاوه بر جذب نور در جدایش بار ‏‏(الکترون-حفره) نیز تاثیر بسزایی دارد. اگر تغییراتی در طراحی شکل 4-‏b‏ در نظر بگیریم به این صورت ‏که ماده ‏A‏ از نانوذراتی تشکیل شده باشد که سطح آن با ماده ‏C‏ پوشش داده شده و فواصل بین آنها با ‏ماده ‏B‏ پر شده باشد شکل 12-‏b‏ حاصل می شود. در این صورت فصل مشترک بین آنها بسته به اندازه ‏نانوذرات 100 تا 1000 برابر نسبت به حالتی آنها با فصل مشترک صاف لایه نشانی شوند افزایش می یابد. ‏بدین ترتیب جذب نور افزایش می یابد زیرا نور از ماده ‏C‏ بیشتری عبور کرده و احتمال جذب نور افزایش ‏پیدا می کند. جدایش الکترون-حفره نیز در این طرح بهبود می یابد زیرا زمانی که بار به ‏A‏ و ‏B‏ منتقل ‏می شود زمان زیادی طول می کشد تا یکدیگر را بیابند و احتمال ترکیب کاهش می یابد.‏

شکل 12-نمایش دو گونه سلول خورشیدی نانو ساختار

به عنوان مثال دوم به طراحی نشان داده شده در شکل 12-‏a‏ توجه کنید که در حقیقت حالت نانوساختار ‏شکل 4-‏a‏ می باشد یعنی نانوسیم های ماده ‏A‏ در ماده ‏B‏ فرو رفته اند. علاوه بر سطح مشترک بسیار زیاد ‏این طراحی، الکترون- حفره حاصل از جذب فوتون مسیر کوتاهی طی می کنند تا مثلاً از به ماده ‏A‏ به ‏B‏ ‏برسند یا بلعکس که این امر به نوبه خود احتمال ترکیب مجدد الکترون-حفره را کاهش می دهد.‏

‏4-2- محدودیت کوانتمی

دومین مزیت مواد نانوساختار محدودیت کوانتمی است که خواص اپتیکی و الکترونیکی ممتازی در آنها ‏پدید می آورد و با حالت بالک تفاوت زیادی دارد. در ادامه به مزایای نانومواد پرداخته می شود اما بطور ‏خلاصه در این دسته از مواد موانعی همچون محدودیت ‏Shockley-Queisser‏ مشکل ساز نخواهند بود.‏
استفاده از نانوساختارها به ما این امکان را می دهد تا خواص اپتیکی آنها را با کمک اندازه کنترل کرد. ‏زمانی که الکترون- حفره در یک نانوذره محدود می شود آنها مقادیر انرژی دقیقی را می توانند اشغال ‏کنند و فواصل بین انرژی ها تابعی از اندازه ذره خواهد بود. ‏
محدودیت کوانتمی در وهله اول کنترل جذب اپتیکی را از طریق اندازه ذره مقدور می سازد. بنابراین ‏نانوذرات همچون یک رنگ (‏dye‏) عمل می کنند که جذب و رنگ آن بسته به تغییر اندازه تغییر خواهد ‏کرد. این امری مفید است زیرا تابش خورشید متشکل از فوتونهایی با انرژی متفاوت است و امکان جذب ‏بخشهای مختلف طیف خورشید را با ذراتی با اندازه متفاوت مقدور می سازد. بنابراین نانوذرات توانایی ‏تنظیم خواص نوری سلول خورشیدی را مقدور می سازند.‏
شاید چشمگیرترین ویژگی که از کاربرد نانوذرات در سلولهای خورشیدی به دست آمد کشفی در ‏آزمایشگاه ملی ‏Los Alamos‏ در سال 2004 باشد.‏ ‏ این اثر که توسط ‏Klimov‏ کشف شد تولید چند ‏اکسایتون (‏MEG‏) مشهور شد. در سال 2002 ‏Art Nozik‏ از آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر پیشنهاد کرد ‏که ‏MEG‏ به دلیل محدودیت کوانتمی در نقاط کوانتمی (به نسبت حالت بالک) با نرخ بیشتری رخ می ‏دهد.‏ ‏ در عمل دو سال بعد ‏MEG‏ در نقاط کوانتمی ‏CdSe‏ مشاهده شد ‏ و پس از مشاهده آن در ‏CdSe، ‏ثابت شد ‏MEG‏ در نقاط کوانتمی بسیاری از نیمه هادیها شامل ‏Si‏ رخ می دهد.‏ ‏ در ادامه مختصراً به ‏توصیف ‏MEG‏ و اینکه چرا اهمیت دارد پرداخته می شود.‏

‏4-2-1- تولید چند اکسایتون (‏MEG‏)‏

آنچه ‏Nozik ‎‏ پیشگویی و ‏‎ Klimovکشف کرد این بود که وقتی فوتونی با انرژی چند برابر گاف در یک ‏نقطه کوانتمی جذب شود، انرژی اضافی به جای تولید حرارت چندین جفت الکترون-حفره تولید می کند. ‏مثلاً اگر انرژی فوتون 3 برابر گاف انرژی باشد 3 جفت الکترون حفره ایجاد خواهد شد و تمامی انرژی ‏جذب شده جهت تولید پربازده جریان صرف می شود (شکل 13). در یک نقطه کوانتمی الکترون و حفره ‏به سوی یکدیگر جذب شده و پیوند برقرار می کنند که به این جفت الکترون- حفره اکسایتون گفته می ‏شود. اثر ‏MEG‏ تنها در نقاط کوانتمی بصورت پر بازده رخ می دهد. اولین چیزی که می توان دریافت این ‏است که ‏MEG‏ می تواند حد نهایی ‏Shockley-Queisser‏ را افزایش دهد و انرژی اضافی که در حالت قبل ‏بصورت گرما تلف می شد به صورت افزایش جریان بدست آمده از سلول خورشیدی ظاهر خواهد شد. اثر ‏MEG‏ در سوسپانسیون کلوئیدی نقاط کوانتمی مشاهده شده اما هنوز هیچ گزارشی مبنی بر یافت آن در ‏سلول های خورشیدی وجود ندارد.‏

شکل 13- تولید چند اکسایتون ‏‎(MEG)‎‏ از یک فوتون در نقاط کوانتمی

4-2-2-مبدل حامل های گرم

برای ایجاد فتوولتاژ بهبود یافته بایستی حاملها پیش از اینکه سرد شوند از سیستم استخراج شوند.‏ ، ‏ به ‏این منظور نرخ جدایش ، انتقال و عبور از فصل مشترک باید بیش سرعت سرد شدن حامل ها ‏باشد.23، ، ‏ در نقاط کوانتمی بدلیل محدویت کوانتمی مقادیر انرژی قابل اختیار توسط حامل ها پیوسته ‏نبوده و سرد شدن به سهولت اتفاق نمی افتد.‏

‏4-2-3- یونیزاسیون ضربه ای (‏IISC‏)‏

دومین راه استفاده از حامل های گرم نیازمند حامل های گرم پر انرژی است تا دو یا چند الکترون- حفره ‏در اثر یونیزاسیون ضربه ای تولید کند.‏ ، ‏ لذا نرخ یونیزاسیون ضربه ای (معکوس اثر اوژه) باید بزرگتر از ‏نرخ سرد شدن و سایر فرایندهای ریلکس کننده حامل های گرم باشد. در نقاط کوانتمی نرخ سرد شدن ‏حاملها کاهش یافته و قابل مقایسه با نرخ یونیزاسیون ضربه ای خواهد شد.21 ‏

‏4-3- پتانسیل صرفه اقتصادی

سومین مزیت نانو مواد این است پتانسیل تولید ادوات فتوولتائیک ارزان قیمت را دارند یعنی در مقایسه با ‏تک ‏کریستال سیلیکون، امکان تولید نانوساختارها به روشهای تر و همچنین پوشش دادن صفحات بزرگ با ‏روشهای ‏جدید لایه نشانی و چاپ امکان پذیر است. به عبارت دیگر در این شرایط مقادیر انرژی الکترون ‏حفره کوانتیزه ‏شده است. به این ترتیب نانوذرات تنها قادرند فوتونهایی را جذب کنند که انرژی آنها به ‏اندازه تفاوت بین ‏ترازهای انرژی الکترون- حفره باشد. این پدیده محدودیت کوانتمی نامیده می شود و ‏نانوذراتی که چنین ‏رفتاری دارند نقاط کوانتمی نامیده می شوند.‏
سلول های خورشیدی لایه نازک برپایه سیلیکون، ‏CdTe‏ و ‏CIGS‏ به شیوه های گران قیمت لایه نشانی ‏درخلاء فلزات، نیمه هادیها و دی الکتریک و بصورت لایه به لایه لایه نشانی می شوند. برای بعضی از مواد ‏روشهای مشابهی از قبیل لایه نشانی الکتروشیمیایی یا حمام شیمیایی توسعه یافته تا جایگزین لایه نشانی ‏خلاء باشد. یک شیوه عملی که می تواند در آینده به ارزانی اجرا شود این است که زیر لایه را با نانوذرات ‏نیمه هادی بپوشانیم و آنرا آنیل کنیم تا اینکه لایه نازکی با خواص مشابه لایه نازک حاصل از فناوری ‏خلاء حاصل شود. به این روش می توان با تکنیک های ارزان قیمت چاپ سلول خورشیدی را از محلول ‏کلوئیدی نانوذرات روی زیر لایه چاپ کرد. تقریباً تمامی نانوذرات به شیوه شیمیایی تر ساخته می شوند ‏که پتانسیل کاربرد در سلول های خورشیدی ارزان قیمت را دارا هستند. انتظار می رود با چنین رویکردی ‏هزینه های ساخت مدول لایه نازک با شیب سریعتری از نمودار 3 کاهش یابد.‏

‏5- مثالهایی از سلول های خورشیدی شامل نانوساختارها
دانشمندان و مهندسین زیادی به مواد و ترکیباتی را که بتوان مشابه شکل 5 به کاربرد آزموده یا حداقل ‏راجع به آن اندیشیده اند.‏ ‏ اگرچه سلولهای خورشید نانوساختار دقیقاً مشابه شکل 5 نخواهد بود و در ‏عمل تفاوتهایی حاصل خواهد شد می توان شباهت های زیادی بین انواع عملی و شمای شکل 5 یافت.‏

‏5-1- سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ (‏DSSC‏)‏

شاید امیدوار کننده ترین و در آینده پربازده ترین سلول خورشیدی که از نانوفناوری بهره می گیرد ‏DSSC‏ باشد که در سال 1991 توسط ‏O’Regan‏ و ‏Grätzel‏ اختراع گردید.‏ ‏ البته ‏DSSC‏ با عنوان سلول ‏Grätzel‏ نیز شناخته می شود. مبانی کارکرد سلول ‏Grätzel‏ همانند سایر ادوات فتوولتائیک رایج برپایه ‏اتصال ‏p-n‏ نمی باشد. در واقع بجای اینکه برای جدای کردن بارهای مثبت و منفی از یک میدان الکتریکی ‏در محل اتصال استفاده کند، از مواد ‏A‏ و ‏B‏ برای انتقال الکترون و حفره استفاده می کند. سلول ‏Grätzel‏ ‏همانند طراحی شکل 12-‏b‏ می باشد. در سلول ‏Grätzel‏ ماده ‏A‏ از تشکیل شده از نانوذرات ‏TiO2‎‏ که ‏معمولاً بین 5-10 نانومتر هستند و با یکدیگر در تماسند تا یک فیلم متخلخل با ضخامت حدود 10 ‏میکرون حاصل شود. یک لایه تک مولکولی از رنگ (ماده ‏C‏ در شکل 12-‏b‏) روی سطح نانوذرات ‏TiO2‎‏ ‏جذب شده و حفره ها با یک الکترولیت حاوی ردوکس (‏redox‏) مثل ‏I-/I3-‎، در نقش ماده ‏B‏ پر شده اند. ‏نانوذرات رنگ و الکترولیت بین دو الکترود شفاف رسانا قرار گرفته و درزگیری می شوند تا از تبخیر ‏الکترولیت جلوگیری شود.‏
اکنون می پردازیم به اینکه سلول ‏Grätzel‏ با چه نحوی نور خورشید را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. ‏در وهله اول نور جذب رنگ شده و موجب تهییج الکترون به انرژی های بالاتر در رنگ می گردد. الکترون ‏تهییج شده به سرعت به نانوذرات ‏TiO2‎‏ تزریق می گردد و با پرش بین نانوذرات به سمت یکی از ‏الکترودهای سلول خورشیدی حرکت می کند. رنگ که اکنون بار مثبت دارد در یک واکنش ‏الکتروشیمیایی با ‏I-‎‏ موجود در الکترولیت شرکت کرده ‏I3-‎‏ تولید می کند و به سمت الکترود کاهنده حمل ‏می شود و در آنجا مجدداً به ‏I-‎‏ تبدیل می شود تا این چرخه ادامه پیدا کند. نانوذرات ‏TiO2‎‏ در قلب این ‏سلول قرار دارند زیرا سطح زیادی را برای جذب رنگ مهیا می کنند. نوری که از بین فیلم نانوذرات عبور ‏می کند بارها و بارها از رنگ می گذرد، که احتمال جذب آنرا افزایش می دهد. سطح ویژه ای که نانوذرات ‏دی اکسید تیتانیوم فراهم می کنند 1000 برابر بیشتر از الکترود مسطح است و سلول خورشیدی که با ‏استفاده از نانوذرات ساخته شده 1000 برابر سلول خورشیدی متشکل از لایه نازک تیتانیوم پوشیده از ‏تک لایه رنگ جریان تولید می کند. این سلول به ما نشان می دهد چگونه می توان از سطح ویژه زیادی ‏که نانومواد فراهم می کنند در سلول های خورشیدی بهره مند شد.‏
اولین سلول آزمایشگاهی که توسط ‏O’Regan‏ و ‏Grätzel‏ در سال 1991 ساخته شد تنها 7% بازده داشت. ‏در طول 15 سال گذشته محقیقین زیادی انواع آرایش نانوذرات، الکترولیت، رنگ و روش مونتاژ را مطالعه ‏کردند تا کارایی سلول خورشیدی را بهینه کنند. در حال حاضر بهترین سلول تحقیقاتی از این نوع بین ‏‏10-12% بازده دارد. در حقیقت با بهترین رنگ موجود 20% تبدیل انرژی باید ممکن باشد. تحقیقات حال ‏حاضر به دو حوزه اختصاص داده شده؛ بهبود کارایی و برطرف کردن مشکل عدم اعتماد صنعت که از ‏الکترولیت مایع حاصل می شود. انواعی از سلول ‏Grätzel‏ از الکترولیت حالت جامد یا پلیمرهای هادی ‏حفره به جای الکترولیت مایع بهره می گیرند اما این سلول ها علارقم آینده درخشانی که دارند هنوز ‏نسبت به بهترین ‏DSSC‏ ها بازده پایینتری دارند (4%).‏

‏5-2- سلولهای خورشیدی حساس شده بار نگ مبتنی بر نانوسیم (‏NW-DSSC‏)‏

یکی از محدودیت های ‏DSSC‏ مبتنی بر نانوذرات این است که الکترونهایی که بوسیله فوتون تولید شده ‏اند در مسیر گذر از فیلم متخلخل دی اکسید تیتانیوم و رسیدن به الکترود شفاف در بین نانوذرات ‏میلیونها پرش انجام می دهند. این پرشها سرعت انتقال

سلول خورشیدی

مطالب مشابه :