با سلول های خورشیدی ونحوه عملکرد آنها آشنا شوید!

مقدمه:

یکی از مهم ترین دغدغه های انسان امروزی تامین انرژی است.
تامین انرژی با مشکلاتی مانند کافی نبودن منابع بخصوص سوختهای فسیلی و آلودگی هایی که بر جای میگذارد مواجه است . به همین دلیل محققان در تلاشند به شکل جدیدی از انرژی ها روی آورند و جایگزین سوخت های تجدید ناپذیرکنند.
از جمله این انرژی ها انرژی خورشیدی است.

انرژی خورشیدی:

استفاده از انرژی خورشیدی یک پدیده نوظهور نیست و می توان قدمت آن را به آغاز زندگی بشر نسبت داد. اولین استفاده هدفمند از انرژی خورشید، شامل متمرکز کردن آن و ایجاد آتش برای پختن غذا و گرم کردن بود.
انرژی که زمین از خورشید دریافت می کند ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان است.مصرف انرژی در سال ۲۰۵۰ ، ۵۰ تا ۳۰۰ درصد بیشتر از مصرف امروزی خواهد بود. اگر۰٫۱% از سطح زمین با پنل خورشیدی پوشیده شود و ۱۰ % بازده داشته باشد انرژی مورد نیاز بشرتامین میشود.جدا از نوآوری های اولیه انسان امروزه با توجه به نیاز های مختلف فناوری های جدیدی هم شکل گرفته یکی از این فناوری ها که در استفاده انرژی خورشید کاربرد دارد سلول های خورشیدی است.

سلول خورشیدی چیست:

سلول خورشیدی ( Solar cell) یا سلول فتوولتائیک ( photovoltaic cell)، قطعه ای الکترونیکی است که به کمک آن می توان اثر فوتوولتاییک، انرژی نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کرد که این یک پدید فیزیکی و شیمیایی است.

انواع سلول های خورشیدی:

1_سلول های خورشیدی برپایه سیلیکون کریستالی

متدوال ترین ماده توده برای سلول خورشیدی، سیلیکون کریستالی (c-Si) است. ماده توده سیلیکون با توجه به نوع کریستال و اندازه کریستال به دو بخش تقسیم می شود.
• سیلیکون تک کریستالی (c-Si)
• سیلیکون پلی کریستالی (poly-Si) یا چند کریستالی (mc-Si)

 

2. سلول های خورشیدی بر پایه سیلیکون لایه نازک غیر کریستالی (آمورف)

هزینه پایین یکی از مزایای سلول های خورشیدی برپایه سیلیکون آمورف (a-Si) می باشد. دو جزء اصلی آلیاژ a-Si ، سیلیکون و هیدروژن است. علاوه اینکه، مشخصه یک آلیاژ a-Si داشتن ضریب جذب بالاست. تنها یک لایه نازک برای جذب نور نیاز است و این باعث کاهش هزینه مواد می شود.

3. سلول های خورشیدی لایه نازک GaAs

 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 صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که برای سلولی با گاف انرژی ماده برابر 1.39eVبدست می‌آید. با توجه به اینکه انرژی شکاف گالیم آرسناید برابر 1.424eV است می تواند ماده مناسبی برای طراحی سلول ها باشد.سلول های خورشیدی ساخته شده برپایه لایه نازک GaAs به عنوان نسل دوم سلول های خورشیدی نامگذاری می شوند.

4. سلول های خورشیدی برپایه مواد آلی

سلولهای خورشیدی برپایه مواد آلی بازده کمتری نسبت به دیگر سلول دارند اما به دلیل هزینه پایین و توانایی انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. انواعی از سلول های خورشیدی بر پایه مواد آلی شامل سلول های خورشیدی حساس به رنگ، سلول های خورشیدی پلیمری و سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع هستند.

• سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC )

ساختار پایه یک DSSC وارد کردن بهینه یک نیمه هادی نوع n شفاف (با شکاف انرژی پهن) در یک شبکه ای از ستون ها در ابعاد نانو در تماس با نانوذره ها یا برآمدگی های مرجانی شکل است.
سطح شبکه بزرگ طراحی می شود و هرقسمت آن با یک تک لایه ای از یک رنگ یا پوششی از نقاط کوانتومی، که به عنوان رنگ عمل می کنند، پوشانده می شود. سپس یک الکترولیت برای نفوذ ساختار شبکه پوشش داده شده حاصل، مورد استفاده قرار می گیرد تا یک کانال یا مجرایی بین رنگ و آند ایجاد کند. رنگ نور را جذب می کند و تولید اکسیتون  می کند ، که در سطح مشترک رنگ – نیمه هادی تفکیک می شود و منجر به ایجاد الکترون ها توسط فوتون برای نیمه هادی و مولکول های رنگ اکسید شده به وسیله الکترولیت (که باید کاهش یابند و دوباره تولید شوند) می شود.

•سلول های خورشیدی پلیمری

مواد اکتیو استفاده شده برای ساخت قطعات این نوع سلولها ، قابل حل در حلال های آلی زیادی هستند. سلول پلیمری پتانسیل لازم برای انعطاف پذیری و قابلیت ساخت در یک فرایند چاپ پیوسته همانند چاپ روزنامه را دارد.

• سلول های خورشیدی برپایه کریستال های مایع

در این سلول های خورشیدی از این نوع از کریستال های مایع ستونی برای ساخت سلول استفاده می شود. گروهی از کریستال‌های مایع می‌توانند به حالت ستونی وجود داشته باشند. در این حالت مولکول‌های تشکیل‌دهنده کریستال‌های مایع که مانند دیسک روی هم قرار گرفته و ستون‌هایی را تشکیل می‌دهند. در ابتدا این گروه از کریستال‌های مایع، کریستال‌های مایع دیسکی نامیده می‌شدند. زیرا هر ستون از روی هم چیده شدن صفحات دیسک مانند مولکول‌ها روی هم ساخته میشود.

5. سلول های خورشیدی برپایه نقاط کوانتومی

یک فاکتور محدود کننده برای بازده تبدیل انرژی در سلول های خورشیدی با یک شکاف انرژی این است که انرژی فوتون جذب شده بالای شکاف انرژی نیمه هادی در اثر اندرکنش الکترون – فونون به صورت گرما تلف می شود تا حامل ها به لبه شکاف باند انرژی رسیده و به اصطلاح به آرامش  برسند.

تاریخچه سلول های خورشیدی:

در سال ۱۸۳۹، ادموند بکورل «Edmond Becquerel»فیزیکدان فرانسوی، موفق به کشف «اثر فتوولتائیک» در هنگام آزمایش یک سلول ساخته شده از الکترود‌های فلزی در محلول رسانا شد.ادموند دریافت که اگر این سلول را در معرض نور قرار دهد ولتاژ افزایش پیدا کرده و الکتریسیته بیشتری تولید میشود.
بعد‌ها در سال ۱۸۷۳، ویلوبی اسمیت «Willoughby Smith»، کشف کرد که سلنیوم می‌تواند به‌عنوان یک رسانای نوری خوب عمل نموده و سه سال پس از این کشف، ویلیام گریل آدامز «William Grylls Adams» و ریچارد ایوانس «Richard Evans»، اثر فتوولتائیک کشف شده را بر روی سلنیوم اعمال کردند.
تقریباً پنجاه سال پس از کشف اثر فتوولتائیک، مخترع آمریکایی چارلز فریتز «Charles Frittz»، توانست اولین سلول کارآمد خورشیدی سلنویمی را بسازد.

مزایای سلول های خورشیدی

با وجود سلول های خورشیدی نیازی به استفاده از شبکه های برق و سوخت های فسیلی نیست.
سلول های خورشیدی آلودگی صوتی ایجاد نمیکنند. برای تولید برق نیاز به آب ندارند. حجم زیادی ندارند بنابراین جای کمی اشغال نمی کنند.قسمت متحرک ندارند.در صورت تغییرات دمایی عملکرد آنها دچار مشکل نمیشود،
معمولا به سادگی نصب می شوند.می توان در مناطق دور از انها بهره برد. در برخی مکان هایی که خارج از شبکه قرار داشته، فتوولتائیک می‌تواند از کشیدن انشعاب برق، به صرفه تر باشد.
مزیت دیگر این است که می تواند با مصالح ساختمانی ترکیب شود ،در چنین حالتی تبدیل به بخشی ازعناصرساختمان میشود.

سلول خورشیدی در چندین مرحله کار می کند:

• فوتون ها به پنل خورشیدی برخورد کرده و توسط مواد نیمه هادی مانند سیلیکون جذب میشوند.
•الکترون ها از مدار فعلی خود برانگیخته می شوند. هنگامی که یک الکترون برانگیخته شود می تواند انرژی را به عنوان گرما از بین ببرد و به مدار خود وارد شود یا از سلول عبور کند تا آن را به یک الکترود برساند. جریان فعلی از طریق مواد برای لغو پتانسیل و این برق الکتریسیته به دست می آیند.
•پیوندهای شیمیایی مواد برای این روند ضروری اند و معمولا سیلیکون در دو لایه استفاده می شود، یک لایه با بورون و دیگری با فسفر انجام می شود. 
• مجموعه ای از سلول ها انرژی خورشیدی را به یک مقدار قابل استفاده از برق مستقیم DC تبدیل می کند. 
• اینورتر می تواند قدرت را به جریان متناوب (AC) تبدیل کند.

پروژه ی عربستان:

یکی از بزرگترین پروژه ها در خصوص تامین انرژیدر کشور عربستان در حال انجام است.
گفته میشود که این پروژه ۲۰۰میلیارد دلاری قرار است که وابستگی عربستان به نفت را از بین ببرد.
این پروژه ۱۰۰هزار شغل جدید ایجاد می‌کند . با شروع بهره‌ برداری در سال ۲۰۳۰، ظرفیت تاسیسات ۲۰۰ گیگاوات خواهد بود که بیش از حد مصرف است. به این ترتیب می‌توان نفت ذخیره شده را به دیگر کشورها فروخت.
تاسیسات انرژی خورشیدی عربستان در زمان بازدهی ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از بزرگ‌ترین تاسیسات انرژی خورشیدی جهان خواهد بود.

نتیجه:

با توجه به بررسی هایی که صورت گرفت می توانیم نتیجه بگیریم که سلول های خورشیدی می توانند سهم بسیار زیادی در نجات آینده انسان ها و کمک به محیط زیست داشت باشند.