سلول خورشیدی

حدود ۱۰۰۰ ژول انرژی به هر متر مربع از سطح زمین منتقل می‌کند که با جمع‌آوری کردن آن می‌توان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تأمین کرد.

انرژی مورد نیاز بشر و انرژی خورشید

انرژی که از طریق خورشید به زمین می‌رسد ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان است . مصرف انرژی در سال ۲۰۵۰ یعنی سال ۱۴۲۹ ه. شی (۴۰ سال دیگر) ۵۰ تا ۳۰۰ درصد بیشتر از مصرف امروزی آن خواهد بود. با اینحال اگر فقط ۰٫۱ درصد از سطح زمین با مبدلهای انرژی خورشیدی پوشیده شوند و تنها ۱۰ ٪ بازده داشته باشند برای تأمین انرژی مورد نیاز بشر کافی است .

در مرکز خورشید هر ثانیه ۷۰۰ تن هیدروژن به انرژی تبدیل می‌شود ( به صورت فوتون یا نوترینو). دمای خورشید در مرکز آن ۱۵ میلیون و در سطح آن 6 هزار درجه سانتیگراد است. انرژی تولید شده در سطح خورشید بعد از ۸ دقیقه به سطح زمین می‌رسد. نور خورشید که به زمین می‌رسد شامل طول موجهای زیر است:۴۷ درصد زیرقرمز ,۴۶ درصد نور مرئی , ۷ درصد فرابنفش. از این رو سلولهای خورشیدی باید در ناحیه زیرقرمز و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند.

ساختار باتری خورشیدی

باتری‌های خورشیدی معمولاً از مواد نیمه‌رسانا، مخصوصاً سیلیسیم، تشکیل شده‌است. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل می‌دهد و بدین صورت، شکل کریستالی آن پدید می‌آید. در باتری‌های خورشیدی به سیلیسیم مقداری جزئی ناخالصی اضافه می‌کنند. اگر اتم ناخالص ۵ ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم ۴ ظرفیتی است) آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایهٔ آن بدون پیوند باقی می‌ماند (یک تک الکترون). به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا می‌کند به آن سیلیسیم نوع N) Negative) می‌گویند. و همین طور اگر اتم ناخالص دارای ظرفیت ۳ باشد آنگاه یک حفرهٔ اضافی ایجاد می‌شود. حفره را به گونه‌ای می‌توان گفت که جای خالی الکترون است، با بار مثبت (به اندازهٔ الکترون) و جرمی برابر با جرم الکترون. که این امر هم باعث مثبت شدن نسبی ماده می‌شود و به آن سیلیسیم نوع P) Positive) می‌گویند . هر باتری خورشیدی از ۶ لایه تشکیل شده که هر لایه را ماده‌ای خاص تشکیل می‌دهد که در شکل مشخص شده‌است.

عملکرد باتری خورشیدی

با اتصال یک نیمه هادی نوع p به یک نیمه هادی نوع n، الکترون‌ها از ناحیه n به ناحیه p و حفره‌ها از ناحیه p به ناحیه n منتقل می‌شوند. با انتقال هر الکترون به ناحیه p، یک یون مثبت در ناحیه n و با انتقال هر حفره به ناحیه n، یک یون منفی در ناحیه p باقی می‌ماند. یون‌های مثبت ومنفی میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌کنند که جهت آن از ناحیه n به ناحیه p است. این میدان با انتقال بیشتر باربرها (الکترون‌ها و حفره‌ها)، قوی تر و قوی تر شده تا جایی که انتقال خالص باربرها به صفر می‌رسد. در این شرایط ترازهای فرمی دو ناحیه با یکدیگر هم سطح شده‌اند و یک میدان الکتریکی داخلی نیز شکل گرفته‌است. اگر در چنین شرایطی، نور خورشید به پیوند بتابد، فوتون‌هایی که انرژی آنها از انرژی شکاف نیمه هادی بیشتر است، زوج الکترون-حفره تولید کرده و زوج‌هایی که در ناحیه تهی یا حوالی آن تولید شده‌اند شانس زیادی دارند که قبل از بازترکیب، توسط میدان داخلی پیوند از هم جدا شوند(). میدان الکتریکی، الکترون‌ها را به ناحیه n و حفره‌ها را به ناحیه p سوق می‌دهد. به این ترتیب تراکم بار منفی در ناحیه n و تراکم بار مثبت در ناحیه p زیاد می‌شود. این تراکم بار، به شکل ولتاژی در دو سر پیوند قابل اندازه گیری است. اگر دو سر پیوند با یک سیم، به یکدیگر اتصال کوتاه شود، الکترون‌های اضافی ناحیه n، از طریق سیم به ناحیه p رفته و جریان اتصال کوتاهی را شکل می‌دهند. اگر به جای سیم از یک مصرف کننده استفاده شود، عبور جریان از مصرف کننده، به آن انرژی می‌دهد. به این ترتیب انرژی فوتون‌های نور خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. هر چه میدان الکتریکی درون پیوند قوی تر باشد، ولتاژ مدار باز بزرگتری بدست می‌آید. برای دست یافتن به یک میدان الکتریکی بزرگ، باید اختلاف ترازهای فرمی دو ماده p و n از یکدیگر زیاد باشد. برای این منظور باید انرژی شکاف نیمه هادی بزرگ انتخاب شود. بنابراین ولتاژ مدار باز یک سلول خورشیدی با انرژی شکاف آن افزایش می‌یابد. اما افزایش انرژی شکاف سبب می‌شود، فوتون‌های کمتری توانایی تولید زوج الکترون-حفره داشته باشند و بنابراین جریان اتصال کوتاه کمتری نیز تولید شود. بنابراین افزایش انرژی شکاف، روی ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه سلول دو اثر متفاوت دارد.

فناوری‌های ساخت سلول‌های خورشیدی

در حال حاضر دو فناوری در ساخت سلولهای خورشیدی غالب است: فناوری نسل اول و نسل دوم. فناوری نسل اول بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت ۴۰۰-۳۰۰ میکرومتر است که ساختاری بلوری یا چند بلوری دارند که یا از بریدن شمش بدست میآیند یا از روش EFG و با کمک خاصیت مویینگی رشد داده می‌شوند. تکنولوژی نسل دوم یا تکنولوژی لایه نازک ، براساس لایه نشانی نیمهه هادی روی بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری، در ضخامت‌های ۵-۳ است.هزینه مواد اولیه در تکنولوژی نسل دوم، پایین‌تر است و از آن گذشته، اندازه سلول تا ۱۰۰ برابر بزرگتر از اندازه سلول ساخته شده با تکنولوژی نسل اول است که مزیتی برای تولید انبوه آن محسوب می‌شود. در عوض بازدهی سلول‌های نسل اول، که اغلب سلول‌های بازار را تشکیل می‌دهند، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی سلول‌های نسل دوم بیشتر است. انتظار می‌رود اختلاف بازدهی میان سلول‌های دو نسل با گذشت زمان کمتر شده و تکنولوژی نسل دوم جایگزین نسل اول شود در سال 1961، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که در انرژی شکاف eV1.4 یعنی انرژی شکاف گالیم آرسناید بدست می‌آید. بنابراین بازدهی سلول های خورشید نسل اول و دوم حتی در بهترین حالت نمی‌تواند از حوالی 30% بیشتر شود. این در حالی است که حد کارنو برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی 95% است. و این مقدار تقریباً سه برابر بیشتر از بازدهی نهایی سلولهای نسل اول و دوم است. بنابراین دستیابی به سلول هایی با بازدهی هایی دو تا سه برابر بازدهی های کنونی، امکان پذیر است. سلول های خورشیدی که دارای چنین بازدهی هایی باشند، نسل سوم سلول های خورشیدی نامیده می‌شوند. سلول های متوالی ، سلول های خورشیدی چاه کوانتومی ، سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی ، سلول های حامل داغ ، نسل سوم سلول های خورشیدی را تشکیل می‌دهند.

ساخت سلول‌های خورشیدی با استفاده از مواد آلی

سلولهای خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان سیلیکونی خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. شارژر موبایل قابل حمل٫ کار گذاشتن باطری ها در سطوح دارای انحناء مانند بدنه ماشین ها و حتی استفاده از آنها در لباس ها از مصارفی است که برای سلولهای خورشیدی آلی (ارگانیک) پیش بینی می‌شود. خصوصیت دیگر آنها انعطاف پذیری در طول موجی است که در آن بیشترین جذب را دارند. در نتیجه اگر برای مثال ماده آلی با جذب درناحیه زیر قرمز استفاده شود از سلول خورشیدی آلی می‌توان در شیشه‌های اتومبیل٫ شیشه‌های خانه‌ها و هر مکان دیگری که باید شفاف باشد٫ استفاده کرد. ساخت سلولهای خورشیدی آلی از دهه ۷۰ میلادی مورد تحقیق و بررسی علمی قرار گرفته است ولی هنوز نمونه بازاری آن ساخته نشده است. از موادی که آینده روشنی در این صنعت برای آن پیش بینی می‌شود کریستالهای مایع ستونی هستند.

سلول خورشیدی

مطالب مشابه :