تعریف کاربرد سلول های خورشیدی

سلول های خورشیدی چگونه کار می کنند؟
دستگاه های «فوتوولتائیک» (Photovoltaic) یا به اختصار «PV» به طور مستقیم از نور خورشید با یک فرآیند الکترونیکی، برق تولید می کنند.

این فرآیند توسط انواع خاصی از مواد «نیمه هادی» (semiconductors) صورت می گیرد.

الکترون ها در این مواد توسط انرژی خورشیدی آزاد می شوند و از طریق یک مدار الکتریکی، به دستگاه های الکتریکی برقی یا شبکه توزیع قدرت انتقال می یابند.

دستگاه های فوتوولتائیک برای تولید برق هر دستگاهی، از وسایل الکترونیکی با اندازه ی کوچک مثل ماشین حساب ها و تابلوهای روشنایی موجود در جاده ها گرفته، تا کسب و کارهای بزرگ تجاری می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

فناوری فوتوولتائیک به چه صورت کار می کند؟
برخورد فوتون ها و ماده نیمه هادی یونیزه روی صفحات خورشیدی، باعث می شود الکترون های خارجی، با شکست پیوندهای اتمی، آزاد شوند. به دلیل ساختار مواد نیمه هادی، الکترون ها مجبور به ایجاد موجی از جریان الکتریکی در یک جهت می شوند.

سلول های خورشیدی در نمودار انرژی سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی، دارای راندمان 100 درصد نیستند.

مقداری از طیف نور، منعکس می شود. مقداری از آن مانند طیف «مادون قرمز» (infrared) به منظور استفاده برای تولید نور بسیار ضعیف و طیفی مانند «ماوراء بنفش» (ultraviolet) به جای تولید برق، انرژی گرمایی تولید می کند.

به همین دلیل، می توان گفت سلول های خورشیدی دارای کارایی 100 درصد نیستند.

برای ساخت یک سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی، قرص های سیلیکونی با خلوص بالا، با میزانی از مواد مختلف با یکدیگر ترکیب می شوند.

ساختار ایجاد شده، مسیری را برای جریان الکتریکی، داخل و بین سلول های خورشیدی به وجود می آورد.

انواع مدل های فناوری فوتوولتائیک:
دو مدل مهم دیگر از فناوری فوتوولتائیک، علاوه بر سلول های سیلیکون کریستالی (c-Si) وجود دارد.

رشد فناوری فوتوولتائیک «فیلم نازک» (Thin-film PV) سریع است. اما این فناوری تنها قسمت کوچکی از بازار تجاری خورشیدی را به خود اختصاص داده است.

بسیاری از شرکت های تولید کننده ی فیلم نازک، شروع به توسعه فناوری در سطح آزمایشگاهی کرده اند. این مدل عموما دارای راندمان کاری پایین اما غالبا ارزان تر از ماژول های C-Si است.

در ایالات متحده، ابتدا آرایه های «متمرکز فوتوولتائیک» (concentrating PV) در بیابان های جنوب غربی شروع به رشد کرد.

در این فناوری از لنزها و آینه ها برای منعکس کردن انرژی خورشیدی متمرکز به سلول های با کارایی بالا استفاده می کنند.

برای بازدهی بیشتر این سیستم، باید نور خورشید به صورت مستقیم تابش کند. همچنین این واحد ها باید از سیستم های ردیابی نور خورشید مانند عمل کرد گل آفتاب گردان بهره ببرند.

تاریخچه ی فناوری فتوولتائیک:
اوایل سال 1839، «الکساندر ادموند بکرل» (Alexandre Edmund Becquerel) اثر فتوولتائیک را مشاهده کرد. در ادامه این فناوری به موضوع تحقیقات علمی او از اوایل قرن بیستم تبدیل شد.

در سال 1954، آزمایشگاه «Bell» واقع در ایالت متحده، اولین دستگاه فوتوولتائیک خورشیدی را معرفی کرد. این دستگاه مقدار قابل استفاده ای از برق را تولید می کرد.

تا سال 1958، سلول های خورشیدی در انواع کاربردهای علمی و تجاری در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار گرفت.

بحران های انرژی سال 1970، علاقه ی زیادی به استفاده از سلول های خورشیدی برای تولید برق مورد نیاز در مناطق مسکونی و تجاری در بین دولت مردان ایجاد کرد.

اما قیمت های هنگفت (نزدیک 30 برابر بیشتر از قیمت فعلی)، استفاده از این فناوری را برای کاربردی وسیع غیر عملی ساخته بود.

تحقیقات و تحولات صنعت در سال های بعد، ساخت دستگاه های فتوولتائیک را به شکل مقرون به صرفه میسر ساخت. چرخه ی افزایش تولید و کاهش هزینه ها به صورت پیوسته حتی تا به امروز ادامه دارد.

هزینه ی سیستم های فتوولتائیک خورشیدی:
افت شدید قیمت ها باعث شده است که خورشید بیشتر از همیشه مقرون به صرفه باشد. قیمت متوسط سیستم فتوولتائیک تکمیل شده طی دهه ی گذشته، مطابق نمودار به میزان 59 درصد کاهش یافته است.

سیستم های فتوولتائیک مدرن:
هنگامی که صنایع مقیاس تولید را افزایش دادند و فناوری تولید را با مواد جدید بهبود بخشیدند، قیمت فتوولتائیک به طور چشمگیری کاهش یافت. هزینه های نصب نیز با کمک نصاب های آموزش دیده و باتجربه، پایین آمد.

با این حال، ایالات متحده هنوز سایر ملت ها را در راستای داشتن سیاست های ملی قوی برای جایگزینی خورشید به جای سوخت های فسیلی، حمایت می کند.

در سطح جهانی، ایالات متحده چهارمین بازار بزرگ تأسیسات فتوولتائیک را بعد از آلمان، ژاپن و اسپانیا در اختیار دارد.

بیشتر سلول های خورشیدی مدرن از سیلیکون کریستال یا مواد نیمه هادی فیلم نازک ساخته می شوند.

سلول های سیلیکونی در تبدیل نور خورشید به برق از انواع دیگر کارآمدتر هستند. اما به صورت عمومی هزینه های تولید بالایی دارند.

مواد فیلم نازک معمولا دارای کارایی پایین تری هستند. با این وجود تولید ساده تر و قیمت پایین تری دارند.

یک دسته ی تخصصی از سلول های خورشیدی معروف به «سلول های چند رابطه یا پیوسته» (called multi-junction or tandem cells) در برنامه های کاربردی که نیاز به وزن بسیار کم و کارایی بسیار بالا دارند، مورد استفاده قرار می گیرند. از این دسته کاربردها می توان به تامین انرژی در ماهواره ها و مسائل نظامی اشاره کرد.

امروزه تمام انواع سیستم های فتوولتائیک به طور گسترده در بسیاری از برنامه های کاربردی به بهره برداری می رسند.