سلول خورشیدی

سلول خورشیدی (بهانگلیسی:solar cell یا photovoltaic cell یا photoelectric cell) یک قطعه الکترونیکی حالت جامد[۱] است که انرژی نور خورشید را مستقیماً توسطاثر فوتوولتاییک[۲] بهالکتریسیته تبدیل می‌کند.

سلول‌های خورشیدی ساخته شده از ویفرسیلیکون، کاربرد بسیاری دارند. سلول‌های تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاه‌های کوچک‌تر مانندماشین حساب الکترونیکیبه کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک الکتریسیتهٔ بازیافت‌شدنی‌ای را تولید می‌کنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستمانتقال و توزیع الکتریکیکاربرد دارد. برای مثال می‌توان به محل‌های دور از دسترس،ماهواره‌های مدارگرد،کاوشگرهای فضاییو ساختمان‌هایمخابراتیدور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل‌هایی که شبکهٔ توزیع هم موجود است، مرسوم شده‌است.

امروزه انسان با پیشرفت‌هایی که در زمینه‌های مختلف کرده، نیازی روزافزون بهانرژیپیدا کرده و این امر او را بر آن داشت تا با روش‌های گوناگون انرژی مورد نیاز خود را کسب کند.

یکی از این روش‌ها که طی ۲۰ سال اخیر، انسان از آن استفاده می‌کند، استفاده از باتری‌های خورشیدی است.خورشیددر هر ثانیه حدود ۱۰۰۰ژولانرژی به هر متر مربع از سطحزمینمنتقل می‌کند که با جمع‌آوری کردن آن می‌توان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تأمین کرد.

انرژی که از طریق خورشید به زمین می‌رسد ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان است.[۳]
مصرف انرژی در سال ۲۰۵۰ یعنی سال ۱۴۲۹ خورشیدی (36 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.[۴]

در مرکز خورشید هر ثانیه ۷۰۰ تن هیدروژن به انرژی تبدیل می‌شود (به صورت فوتونیا نوترینو). دمای خورشید در مرکز آن ۱۵ میلیون و در سطح آن ۶ 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 درصدفرو سرخ، ۴۶ درصدنور مرئی، ۷ درصدفرابنفش. از این رو سلول‌های خورشیدی باید در ناحیهفرو سرخ ونور مرئی جذب بالایی داشته باشند.

باتری‌های خورشیدی معمولاً از موادنیمه‌رسانا، مخصوصاًسیلیسیم، تشکیل شده‌است. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل می‌دهد و بدین صورت، شکلکریستالیآن پدید می‌آید.

در باتری‌های خورشیدی به سیلیسیم مقداری جزئی ناخالصی اضافه می‌کنند.
اگر اتم ناخالصی ۵ ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم ۴ ظرفیتی است)، آنگاه در
ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایهٔ آن بدون پیوند باقی می‌ماند (یک تکالکترون). به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا می‌کند به آن سیلیسیم نوع N) Negative) می‌گویند.

درصورتی که اتم ناخالصی 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.

با اتصال یک نیمه هادینوع p به یک نیمه هادینوع n، الکترون‌هااز 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 و منفی میدان الکتریکی
داخلی ایجاد می‌کنند که جهت آن از ناحیه n به ناحیه p است. این میدان با
انتقال بیشتر باربرها (الکترون‌ها و حفره‌ها)، قوی‌تر و قویتر شده تا جایی
که انتقال خالص باربرها به صفر می‌رسد. در این شرایطترازهای 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
اندازه‌گیری 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 بهانرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

هر چه میدان الکتریکی درون پیوند قوی‌تر 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.

در حال حاضر دو فناوری در ساخت سلول‌های خورشیدی غالب است: فناوری نسل اول و نسل دوم.

فناوری نسل اول بر پایه ویفرهایسیلیکونیبا 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 خاصیتمویینگیرشد داده می‌شوند.

فناوری نسل دوم یا تکنولوژی لایه نازک، براساس لایه نشانی نیمه هادی روی بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری، در ضخامت‌های ۵-۳ است.[۵]

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[۶]

در سال ۱۹۶۱، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی
پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای ۳۰۰ کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی
یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، ۳۰٪ است که در
انرژی شکاف eV1.4 یعنی انرژی شکاف گالیم آرسناید بدست می‌آید.[۷]
بنابراین بازدهی سلول‌های خورشید نسل اول و دوم حتی در بهترین حالت
نمی‌تواند از حوالی ۳۰٪ بیشتر شود. این در حالی است که حد کارنو برای تبدیل
انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی ۹۵٪ است.[۸] و این مقدار تقریباً سه برابر بیشتر از بازدهی نهایی سلول‌های نسل اول و دوم است.

بنابراین دستیابی به سلول‌هایی با بازدهی‌هایی دو تا سه برابر
بازدهی‌های کنونی، امکان‌پذیر است. سلول‌های خورشیدی که دارای چنین
بازدهی‌هایی باشند، نسل سوم سلول‌های خورشیدی نامیده می‌شوند.سلول‌های متوالی،سلول‌های خورشیدی چاه کوانتومی،سلول‌های خورشیدی نقطه کوانتومی،سلول‌های حامل داغ، نسل سوم سلول‌های خورشیدی را تشکیل می‌دهند.[۹]

رایج ترین ماده توده برای سلول خورشیدیسیلیکون کریستالی(c-Si) است ماده توده سیلیکون با توجه به نوعکریستالو اندازه کریستال به چندین بخش تقسیم می‌شود.

سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون لایه نازک غیر کریستالی

یکی از مزایای این نوع سلولها این می‌باشد که بر پایه سیلیکون آمورف (a-Si) می‌باشد

سلول‌های خورشیدی لایه نازک GaAs

یکی از ضروری ترین موارد که باید در مبدلانرژی فتوولتائیکخورشیدی به کار برود تطبیقگاف انرژیباطیف خورشیدیو داشتن قابلیت تحرک بالا و طول عمر حامل‌ها می‌باشد

سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی

این سلول در مقایسه با دیگر سلولهای خود بازدهی کمتری دارد و تنها به
دلیل هزینه ساخت کمتر و قابلیت انعطاف‌پذیری برای مصارف غیر صنعتی مناسب
می‌باشد و قابلیت استفاده دارد.

نحوه تبدیل سیلیکون به سلول خورشیدی

سیلیکوندر صورتی که کریستالی باشدبرخی خصوصیات شیمیایی ویژه و منحصربه‌فرد دارد. یک اتم سیلیکون ۱۴ الکترون
دارد که در سه پوسته مختلف مرتب شده‌اند دو لایه اول که دو و هشت الکترون
دارند کاملاً پر هستند لایه یا پوسته بیرونی تنها نیمی از ظرفیتش با چهار
الکترون پر شده است اتم سیلیکون همواره به دنبال راهی است تا لایه آخر خود
را کامل کند و برای انجام این کار الکترون‌های خود را با چهار اتم کناری اش
به اشتراک می‌گذارد[۱۰]

شیوه ساخت سلول‌های خورشیدی (فتوولتائیک)

سلول‌های فتو ولتائیکازمواد ویژه‌ای ساخته شده‌اند که آنها را semiconductor یا نیمه رسانا می‌نامیم از این مواد می‌توان به سیلیکوناشاره کرد که اکنون بسیار پرکاربرد است در اصل هنگامی که نور با سلول برخورد می‌کند مقدار مشخصی از آن توسط مواد نیمه رسانا
جذب می‌شود این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتقل می‌شود
انرژی به الکترون‌های سست ضربه می‌زند و اجازه می‌دهد که آنها آزاد شده و
به گردش در آیند. سلول‌های فتو ولتائیک
دارای یک میدان الکتریکی هستند که به عنوان یک اجبار برای الکترون‌های
آزاد شده توسط نور جذب شده عمل می‌کند و آنها را در جهت معینی به جریان
می‌اندازد این گردش الکترون‌ها یک جریان ایجاد می‌کند و با قرار دادن
اتصال‌های فلزی در پایین و بالای سلول فتو ولتائیک می‌تواند این جریان را
برای مصارف مختلف بیرون بکشد این جریان به همراه ولتاژ درون سلول‌ها که در
نتیجه میدان یا میدان‌های الکتریکی درونی سلول ایجاد می‌شود قدرت یا ولتاژ
تولیدی توسط یک سلول خورشیدی را تعریف می‌کنند.[۱۱]

ساختسلول‌های خورشیدیبا استفاده از مواد آلی

سلول‌های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان سیلیکونیخود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت‌هایی مانند انعطاف‌پذیری
برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. شارژر موبایل قابل حمل، کار گذاشتن
باتری‌ها در سطوح دارای انحناء مانند بدنه ماشین‌ها و حتی استفاده از آن‌ها
در لباس‌ها، از مصارفی است که برای سلولهای خورشیدیآلی (ارگانیک) پیش‌بینی می‌شود. خصوصیت دیگر آنها انعطاف‌پذیری در طول موجی است که در آن بیشترین جذب را دارند. در نتیجه اگر برای مثالماده آلی با جذب درناحیهزیر قرمز استفاده شود از سلول خورشیدی آلی می‌توان در شیشه‌های اتومبیل، شیشه‌های خانه‌ها و هر مکان دیگری که باید شفاف باشد، استفاده کرد.

اتلاف انرژی در یک سلول خورشیدی

نور مرئی تنها بخشی از طیف الکترومغناطیساست تشعشع الکترومغناطیس تک رنگ نیست و از دامنه‌ای از طول موجهایمختلف تشکیل شده و در نتیجه سطوح انرژی متفاوتی دارد. نور را هم می‌توان به طول موج‌های گوناگونی تجزیه کرد که ما آن را به شکل رنگین کمان
می‌بینیم از آنجایی که سلول ما توسط فوتون‌هایی با دامنه انرژی‌های متفاوت
مورد اصابت قرار می‌گیرد لذا برخی از آنها انرژی لازم برای شکست پیوند الکترون
حفره را ندارند آنها به سادگی از درون سلول می‌گذرند درست انگار که از یک
شیشه شفاف عبور کرده‌اند در حالی که برخی دیگر از فوتون‌ها انرژی بسیار
زیادی دارند تنها میزان مشخصی از انرژی که با الکترون ولت اندازه‌گیری شده می‌تواند بر الکترون‌های اتم‌های سیلیکون سلول خورشیدی ما اثر گذارد اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم داشته باشد پس انرژی اضافی هدر می‌رود مگر اینکهفوتون انرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشته و بتواند به طور همزمان دوالکترون را رها کند که این هم چندان زیاد نیست که معنی دار محسوب شود. به این صورت است که تقریباً ۷۰ درصدانرژی تابشی دریافتی توسط سلول ما در واقع تلف می‌شود و کارایی ندارد[۱۲]

چگونگی تامین انرژی خانه با سلول خورشیدی

تمامی پشت بام‌ها جهت مناسب یا زاویه و شیب لازم برای استفاده کامل ازنور خورشیدرا ندارند سیستم‌های فوتو ولتائیکثابت که امکان رهگیری نور خورشید را ندارد باید در جهت مناسبی نصب شوند که بیشترین مدت روز و بیشترین مدت سال از نور مستقیم خورشیدبهره‌مند شوند هنگام نصب این نکته هم باید در نظر گرفته شود که شما می‌خواهید حداکثر برقرا در صبح تولید کنید یا هنگام عصر آن را در اختیار داشته باشید از خانه در زمستان بیشتر استفاده می‌شود یا تابستان و پنل‌ها
نباید توسط سایه درختان اطراف خانه یا خانه‌های همسایه‌ها پوشانده شوند.
اگر پشت بام شما در جهت مناسبی قرار ندارد اکنون لازم است درباره اندازه
سیستم انتخابی تان تصمیم گیری کنید. مثلاً اینکه تولید الکتریسیته بستگی به آب و هوا هم دارد که اصلاً نمی‌توان آن را پیش بینی کرد. یا اینکه میزان مصرف الکتریسیته
شما کاملاً متغیر است خوشبختانه اطلاعات هواشناسی به ما امکان سنجش میزان
تابش ماهیانه خورشید را می‌دهند دیگر فاکتورهای مهم چون روزهای بارانی ابری
و میزان رطوبت را هم برای مان پیش بینی می‌کنند شما باید سیستم را بر اساس
بدترین ماه طراحی کنید پس از آن در تمام سال انرژی کافی و حتی اضافی در
اختیار خواهید داشت با در اختیار داشتن این اطلاعات و دانستن میانگین نیاز
خانه‌تان به راحتی می‌توانید محاسبه کنید که به چه تعداد ماژول فوتو ولتائیک
نیاز دارید همچنین باید در خصوص ولتاژ سیستم هم از همان ابتدا تصمیم گیری
کنید این چیزی است که با تعداد ماژولی که به صورت سری به یکدیگر متصل
می‌شوند کنترل می‌شود.[۱۳]

جستارهای وابسته

• انرژی خورشیدی
• صفحه خورشیدی

پانویس

• How Stuff Works
• S. Ashok and K.P. Pande. Solar Cells ۱۴ ۱ (۱۹۸۵)، p. ۶۱

منابع