مواد تشکیل دهنده سلول خورشیدی و کاربرد آن

سلول خورشیدی از چه چیزی ساخته شده است؟
سیلیکون ماده ای است که ترانزیستورهای (سوئیچ های کوچک) موجود در ریزتراشه ها از آن ساخته می شوند.

سلول خورشیدی به روشی مشابه کار می کند. سیلیکون نوعی نیمه هادی است. بعضی از مواد، به ویژه فلزات، به راحتی جریان برق را از خود عبور می دهند.

این مواد هادی یا رسانا نامیده می شوند. مواد دیگر مانند پلاستیک و چوب اجازه عبور جریان برق از خود را نمی دهند.

به این مواد نارسانا یا عایق می گویند. نیمه هادی هایی مانند سیلیکون نه رسانا هستند و نه عایق؛ آن ها به طور معمول الکتریسیته را هدایت نمی کنند، اما تحت شرایط خاصی می توانیم آن ها را وادار به این کار کنیم.

سلول خورشیدی یک ساندویچ از دو لایه مختلف سیلیکون است که به طور خاص آلاییده شده اند (به آن ها ناخالصی افزوده شده است)، بنابراین می توانند برق را به روش خاصی از طریق آن ها عبور داد.

لایه پایین به گونه ای آلاییده شده است که الکترون های بسیار کمی دارد. این سیلیکون از نوع p یا نوع مثبت نامیده می شود (زیرا الکترون ها بار منفی دارند و این لایه تعداد کمی از آن ها را دارد).

لایه بالایی برعکس آلاییده می شود تا الکترون های بیشتری داشته باشد. به لایه بالا سیلیکون نوع n یا نوع منفی گفته می شود.

وقتی یک لایه سیلیکون نوع n را روی یک لایه سیلیکون نوع p قرار می دهیم، در محل پیوند دو ماده (مرز بسیار مهم محل اتصال دو نوع سیلیکون) سدی ایجاد می شود.

هیچ الکترونی نمی تواند از سد عبور کند، بنابراین، حتی اگر این ساندویچ سیلیکونی را به چراغ قوه متصل کنیم، هیچ جریانی برقرار نخواهد شد و لامپ روشن نمی شود. اما اگر نور را به ساندویچ بتابانیم، اتفاق قابل توجهی می افتد.

می توانیم نور را جریانی از انرژی «ذرات نور» به نام فوتون بدانیم. فوتون ها وقتی وارد ساندویچ می شوند، انرژی خود را به اتم های سیلیکون می دهند.

انرژی ورودی الکترون ها را از لایه پایین تر نوع p خارج می کند، بنابراین آن ها از سد لایه n نوع بالا می روند و در مدار جریان می یابند. هرچه نور بیشتری بتابد، الکترون ها بیشتر به بالا می روند و جریان بیشتری برقرار خواهد شد.

سلول خورشیدی چگونه کار می کند؟
همان طور که گفتیم، سلول خورشیدی ساندویچی از سیلیکون نوع n (آبی) و سیلیکون نوع p (قرمز) است. این انرژی با استفاده از نور خورشید برای ایجاد جهش الکترون ها در محل پیوند بین لایه های مختلف سیلیکون، برق تولید می کند.

مراحل تولید برق سلول خورشیدی به شرح زیر است:

• وقتی نور خورشید به سلول می تابد، فوتون ها (ذرات نور) سطح بالایی را بمباران می کنند.
• فوتون ها (توده های زرد) انرژی خود را از طریق سلول به پایین انتقال می دهند.
• فوتون ها انرژی خود را به الکترون ها (توده های سبز) در لایه پایین تر و نوع P می دهند.
• الکترون ها از این انرژی برای پرش از طریق سد به لایه فوقانی نوع n و گردش از مدار استفاده می کنند.
• الکترون ها با گردش در مدار لامپ را روشن می کنند.

بازده سلول خورشیدی چقدر است؟
قانون پایستگی انرژی بیان می کند که نمی توانیم انرژی ایجاد کنیم یا آن را در هوا محو کنیم. تنها کاری که می توانیم انجام دهیم این است که آن را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل کنیم.

این بدان معناست که یک سلول خورشیدی نمی تواند انرژی الکتریکی بیشتری نسبت به هر ثانیه نوری که دریافت می کند تولید کند.

در عمل، همان طور که بیان خواهیم کرد، بیشتر سلول ها حدوداً 10 تا 20 درصد از انرژی دریافتی را به برق تبدیل می کنند.

در یک سلول خورشیدی سیلیکونی تک پیوندی، حداکثر بازده تئوری تقریباً 30 درصد است که به عنوان «محدودیت شاکلی و کوییسر» (Shockley-Queisser limit) شناخته می شود.

این اساساً به این دلیل است که نور خورشید شامل مخلوط متنوعی از فوتون ها با طول موج و انرژی های مختلف است و هر سلول خورشیدی تک پیوندی برای گرفتن فوتون فقط در یک باند فرکانسی خاص بهینه سازی می شود و بقیه را جذب نمی کنند.

برخی از فوتون هایی که به یک سلول خورشیدی برخورد می کنند، انرژی کافی برای از بین بردن الکترون ندارند، بنابراین از دست می روند، در حالی که برخی انرژی بیش از حد دارند و مازاد آن ها نیز از دست می رود.

بهترین سلول های آزمایشگاهی پیشرفته می توانند 46 درصد بازدهی را در شرایط کاملاً عالی با استفاده از چندین پیوند برای گرفتن فوتون هایی با انرژی مختلف ارائه دهند.

صفحات خورشیدی خانگی در دنیای واقعی می توانند بازدهی حدود 15 درصد (یک درصد بالاتر یا پایین تر) داشته باشند و بعید است که خیلی بهتر شوند.

سلول های خورشیدی نسل اول و تک پیوندی قرار نیست به بازده 30 درصدی محدودیت شاکلی و کوییسر نزدیک شوند، هرچند که در آزمایشگاه 46 درصد بازدهی نیز داشته باشند.

عوامل مزاحم مختلف دنیای واقعی در بازده اسمی نقش دارند، از جمله ساخت صفحات، نحوه قرارگیری و زاویه قرارگیری آن ها، سایه بان بودن، تمیز نگه داشتن آن ها، گرم شدن آن ها (افزایش دما کارایی را پایین می آورد) و اینکه آیا تهویه دارند (برای گردش هوا در زیر پنل) تا آن ها را خنک نگه دارد یا نه.