سلول خورشیدی چیست؟

سلول خورشیدی

یک سلول خورشیدی وسیله ایست که از یک نیمه هادی با اتصال الکتریکی تشکیل شده و انرژی پرتوهای خورشید را جذب کرده و مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. جذب پرتوهای نوری موجب آزادسازی باندهای کووالانت که نماینده بهم پیوستگی شیمیائی اتم ها در نیمه هادی ها می باشد، می گردد. در این فرآیند یونیزه شدن بارهای متحرک در یک شبکه نیمه هادی با الكترونهای منفی آزاد و حفره های مثبت آزاد، تولید می شوند. در نتیجه بارهای منفی به یک طرف و بارهای مثبت به طرف دیگر روانه می گردند. در اثر جدا شدن بارها، پتانسیل الکتریکی ۷ در بین دو طرف قطعه نیمه هادی ایجاد می شود.

اولین وسیله و کوچک ترین واحد مستقل تمامی سیستم های فتوولتائیک، سلول خورشیدی می باشد. اندازه آن می تواند با توجه به کاربرد مورد نظر به نحو مطلوب انتخاب گردند. اندازه سلول از چندین میلیمتر مربع برای کاربردهای الکترونیکی مصرفی از قبیل ماشین ها محاسبه جیبی، ساعت مچی و غیره تا اندازه استاندارد فعلی ۱۰ در ۱۰ سانتی متر مربع تغییر می کند.

اشکال سلول های خورشیدی

شکل سلول مربع یا مستطیل است، ولی شکل های دیگری هم چون دایره، نیم دایره و یا سایر اشکال که دارای هزینه ساخت کمتری را در بر داشته باشند، نیز تولید شده است. نکته مهم اینست که سلول های خورشیدی را می توان در تشکل های فیزیکی متفاوت ساخته و تولید نمود ولی به خاطر این که بسیار نازک هستند، خاصیت شکنندگی پیدا کرده و در نتیجه از نظر اندازه دارای محدودیت می باشند. سلول های خورشیدی از زمره دستگاه های بسیار نازک می باشند. به طور مثال ضخامت سلول ۱۳ میلی متر یعنی حدود ضخامت چند صفحه کاغذ معمولی می باشد.

در حال حاضر تحقیق و توسعه اگر چه نازک تر ساختن سلول های خورشیدی به منظور به حداقل رساندن مصرف مواد نیمه هادی و در نتیجه هزینه ساخت آن ها در مراکز تحقیقاتی دنیا در جریان است.

یک سلول خورشیدی از یک لایه بسیار نازک(حدود چند میکرون) از سیلیکون نوع N و لایه ضخیم تری از سیلیکون نوع P تشکیل یافته است. اغلب سلول های خورشیدی از تک بلور سیلیکون ساخته میشوند. ولی از نیمه هادی های دیگر از جمله سیلیکون آمورف، سیلیکون چند بلوره، آرسنید گالیم و ترکیبات دیگر که از سیلیکون تک بلور ارزان تر میباشد، نیز در ساخت سلول های خورشیدی استفاده میگردد. شایان ذکر است هر چقدر میزان خواص سیلیکون در سلول بیشتر باشد، راندمان آن هم افزایش می یابد.

مشخصات و رفتار سلول های خورشیدی

به منظور طراحی سیستم های فتوولتائیک، آگاهی از مشخصات و رفتار سلول های خورشیدی مورد نیاز از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. با افزایش شدت تابش پرتوهای خورشیدی، مقدار قدرت الکتریکی خروجی نیز افزایش در محاسبات هندسی معمولا میزان شدت تابش پرتوهای خورشیدی بر سطح کره زمین، 1kw/m2 و یا 100mw/cm2 400 که واحد مناسب تری در رابطه با سلول های کوچک خورشیدی می باشد، در نظر گرفته می شود. ضمنا با افزایش دما، قدرت خروجی از سلول کاهش پیدا می کند. این امر یکی از محدودیت های مهم سلول های خورشیدی بوده و باید در طراحی کاربردهای مختلف، مورد توجه مهندسین قرار گیرد. به منظور کاهش این محدودیت، معمولا از روش های متداول مهندسی برای دفع گرمای تولیدی در سلول استفاده می گردد.

برای بهره وری بیشتر از سلول های خورشیدی، از متمرکز کننده هائی که پرتوهای خورشیدی را بر روی سلولها متمرکز می سازنند، استفاده می گردد. در این موارد دمای سلول ها نیز افزایش محسوسی یافته و در نتیجه اثر معکوس بر قدرت الكتریكی خروجی خواهد داشت، لذا لازم است تا از تکنیک های دفع گرما استفاده گردد.

راندمان سلول های خورشیدی

یکی از معیارهای مهم توسعه و ساخت یک سلول خورشیدی به حداکثر رساندن راندمان تبدیل نور خورشید به الکتریسیته می باشد. در سلول های خورشیدی مکانیزم های مختلف افت انرژی وجود دارد که بعضی از آن ها غیر این اجتناب بوده و داتا در سلول وجود دارند ولی برخی دیگر قابل کنترل می باشند و می توان آن ها را به حداقل رسانید و با بکلی خذف کرد. با توجه به این امر راندمان ایده آل یک سلول در حدود ۳۰ درصد می باشد.

راندمان سلول های خورشیدی تجاری تحت تابش مستقیم خورشید، در حدود ۱۲ الی ۱۶ درصد می باشد، ولی در سطح آزمایشگاهی به راه بالاتری نیز دست یافته اند. مثلا راندمان سلول های خورشیدی منفرد از نوع کریستال های سیلیکون به ۲۳ درصد و سلول هائی که پرتوهای خورشیدی بر روی آن ها متمرکز می شوند تا ۳۲ درصد گزارش شده است.

تاریخچه سلول های خورشیدی

نخستین مشاهده علمی پدیده فتوولتائیک در سال ۱۸۳۸ به وسیله جوان نوزده ساله ای به نام کور انجام .شد و مشاهده کرد که در محلول الکترولیتد سلول های الکترولیتی که شامل فلزات خاصی هستند؛ هنگامیکه در معرض نور قرار می گیرند به مقدار کمی جریان الکتریکی تولید می کنند. این کشف در جامعه علمی آن زمان تاثیری چندان قوی مانند این باتری نداشت. دلیل این امر احتمالا کم بودن مقدار جریان تولیدی بوده است.

به نظر می رسد که پدیده فتوولتائیک باید بیشتر به وسیله تصادف کشف می شده چون پس از اتفاق ذکر شده، هیچ اتفاق مهمی نیفتاد تا اینکه در سال ۱۸۷۳ اسمیت دریافت که سیم های سلنيوم وقتی در معرض نور قرار می گیرند، مقاومتشان کم می شود. او قبلا روی روش هایی برای شناخت بهتر هادی های مورد استفاده در خطوط طولانی تلفن کار خود را برای جامعه مهندسین تلگراف فرستاد اما کار بر روی فتوولتائیک در این زمان ادامه پیدا نکرد.

انواع سلول های خورشیدی

• سلول های خورشیدی پلی کریستال
•      ”              ”      مونو کریستال
• سیلیکون بی شکل
• و… 

سلول خورشیدی مونو کریستال

نوع تک کریستال در سیلندرهای بلند تعبیه می شود و به صورت ویفرهای گرد و یا هگزاگونا (1 گوش) بریده می شوند. این فرآیند تولید انرژی بالاترین بازده الکتریکی را دارد (در برخی مراح آزمایشی تا ۲۵ درصد بازده). از آن جا که سلول های پربازده، گران ترند، گاهی آن ها را با لنزها و آینه ها به کار می برند تا تمرکز نور بالاتری به دست آورند و در نتیجه بازده بالا رود. بازده تا ۳۰ درصد از این روش به دست آمده است. سلول های تک کریستال بیش از نیمی از بازار فتوولتائیک جهان را در اختیار دارند.

سلول خورشیدی پلی کریستال

این نوع سلول ها از ریختن سیلیکن مذاب به درون شمش ها یا ورقه ها و بریدن آن ها به شکل مربع، سلول های پلی کریستالین ساخته می شوند. تولید انرژی از این روش، هم کم هزینه تر، هم کم بازده تر است (حدود ۱۵ درصد)، چون سلول ها مربعی شکل هستند، راحت تر در کنار هم چیده می شوند. سلول های پلی کریستالی ۳۰ درصد بازار pv ( فتوولتائیک) جهان را در اختیار دارند.

سیلیکن بی شکل (نامنظم)

نوع کاملا متفاوتی است. سیلیکن روی سطحی فلزی با شیشه ای پاشیده می شود و کل مجموعه را در یک مرحله می سازد. این روند تولید، ارزان ترین نوع است، اما بازده بسیار پایینی دارد (حدود ۵ درصد)، مواد متفاوتی به جز سیلیکن نیز در حال بررسی و توسعه اند، مانند آرسیند گالیم (Ga-As)، دی سیلیندانیدیم مس و کادمیم تلوراید (Cdrc). این مواد بازده (الکتریکی) بالاتر و خواص جالب توجه تری نسبت به سیلیکن دارند.

سوالات متداول شما عزیزان