سلول خورشیدی

سلول خورشیدی (Solar Cell) یک قطعه الکترونیکی است که نور خورشید را می‌گیرد و آن را مستقیماً به برق تبدیل می‌کند. اندازه هر سلول تقریباً به اندازه کف یک دست، به شکل هشت ضلعی و به رنگ سیاه و نیز سرمه ای است. از تجمیع سلول خورشیدی (Solar Cell) با یکدیگر، ماژول خورشیدی (Solar Module) تشکیل می شود. همچنین با در کنار هم قرار دادن چند ماژول خورشیدی (Solar Module)، صفحه یا پنل خورشیدی (Solar Panel) بدست می آید. البته برای کاربردهای خرد و توان های کم، از سلول خورشیدی (Solar Cell) به شکل تراشه‌های کوچک (برای تأمین برق وسایل کوچک مانند ماشین‌حساب‌های جیبی و ساعت‌های دیجیتال) استفاده می شود. شکل زیر نمونه هایی از کاربردهای سلول خورشیدی (Solar Cell) و همچنین بصورت منعطف (کاربردهای قابل حمل)، شفاش و نیمه شفاف (برای کاربردهای نمای ساختمان) و … می باشد.

نور از ذرات ریزی به نام فوتون (Photon) ساخته شده است، بنابراین با تابش پرتو نور خورشید، حجم عظیمی از فوتون به سطح سلول خورشیدی پرتاب می شوند و سلول خورشیدی، فوتون‌های پرانرژی را می‌گیرد و آن‌ها را به جریانی از الکترون تبدیل می‌کند. هر سلول چند ولت برق تولید می‌کند؛ بنابراین کار یک صفحه خورشیدی ترکیب انرژی تولیدی سلول‌ها برای ایجاد مقدار مفید جریان الکتریکی و ولتاژ است. تقریباً تمام سلول‌های خورشیدی امروزی از برش‌های سیلیکون (یکی از فراوان‌ترین عناصر شیمیایی روی زمین که در شن و ماسه یافت می‌شود) ساخته شده‌اند.

سیلیکون ماده‌ای است که ترانزیستورهای (سوئیچ‌های کوچک) موجود در ریزتراشه‌ها از آن ساخته می‌شوند؛ چون نوعی نیمه‌هادی است. مختصرا لازم به توضیح است که بعضی از مواد، به ویژه فلزات، به راحتی جریان برق را از خود عبور می‌دهند. این مواد هادی یا رسانا نامیده می‌شوند. مواد دیگر مانند پلاستیک و چوب اجازه عبور جریان برق از خود را نمی‌دهند. به این مواد نارسانا یا عایق می‌گویند. طبیعت ذاتی نیمه‌هادی‌هایی مانند سیلیکون، نه رسانا می باشد و نه عایق؛ بلکه بطور معمول الکتریسیته را هدایت نمی‌کنند، اما تحت شرایط بصورت یک رسانا رفتار می کنند.

سلول خورشیدی یک ساندویچ از دو لایه مختلف سیلیکون است و می‌توان برق را به روش خاصی از طریق آن‌ها عبور داد. لایه پایین به گونه‌ای است که الکترون‌های بسیار کمی دارد. این سیلیکون از نوع مثبت (Positive) نامیده می‌شود (الکترون‌ها بار منفی داشته و این لایه تعداد کمی از آن‌ها را دارد). لایه بالایی الکترون‌های بیشتری دارد و سیلیکون نوع منفی (Negative) گفته می‌شود.

وقتی یک لایه سیلیکون نوع  مثبت بر روی یک لایه سیلیکون نوع منفی قرار داده می شود، در محل پیوند دو ماده (مرز بسیار مهم محل اتصال دو نوع سیلیکون) سدی ایجاد می‌شود. هیچ الکترونی نمی‌تواند از سد عبور کند؛ بنابراین، اگر این ساختار سیلیکونی را به مصرف کننده های با توان پایین (مثل چراغ روشنایی) متصل کنیم، هیچ جریانی برقرار نشده و لامپ روشن نمی گردد. اما اگر به سطح آن ساختار سیلیکونی، پرتوی نور تابیده بشود، فوتون‌ها وقتی وارد ساندویچ سیلیکونی شده و انرژی خود را به اتم‌های سیلیکون می‌دهند. انرژی وارد شده، الکترون‌ها را از لایه پایین‌تر نوع مثبت (Positive) خارج می‌کند، بنابراین آن‌ها از سد لایه منفی (Negative) نوع بالا می‌روند و در مدار جریان می‌یابند. هرچه نور بیشتری بتابد، الکترون‌ها بیشتر به بالا می‌روند و جریان بیشتری برقرار خواهد شد.

انواع سلول‌های خورشیدی

سلول‌های خورشیدی رایج کنونی، عمدتا ساختار ساندویچی – سیلیکونی دارند که در تولید آنها از مواد نیمه هادی (از جمله سیلیکون) استفاده می شود. تا به امروز نسل های مخلتفی از سلول های خورشیدی تولید و عرض شده که هر کدام نسبتا به مدل قبل از خود، ویژگی هایی داشته و در تولید آن سعی بر رفع عیوب مدل قبل صورت گرفته است. اما تفاوت این نسل‌ها چیست؟

·         سلول خورشیدی نسل اول

نسل اول سلول های خورشیدی فناوری غالب در تولید تجاری سلول های خورشیدی هستند، که حدود 80 تا 90 درصد سهم سلول های خورشیدی را به خود اختصاص داده اند. این سلولها نوعا با استفاده از ویفر (Wafer) بلور سیلیکونی تولید شده اند. که حاصل از برش کاری شمش‌های بزرگ در آزمایشگاه‌های بسیار تمیز بدست می آیند و ممکن است تکمیل آن یک ماه طول بکشد. ساختار شمش ها یا به صورت بلورهای مونوکریستال (Mono-Crystal) و یا بصورت پلی‌کریستال (Poly-Crystal) هستند. سلول‌های خورشیدی نسل اول از یک پیوند ساده و بین لایه‌های سیلیکون نوع منفی و نوع مثبت استفاده می‌کنند. شمش نوع  منفی با گرم کردن تکه‌های سیلیسیم (یا همان سیلیکون) با مقادیر کمی عناصر فسفر ()، آنتیموان () یا آرسنیک () بعنوان عامل آلاینده ساخته می‌شود، در حالی که در یک شمش نوع مثبت از عنصر بور () به عنوان عامل آلاینده استفاده می‌شود. سپس برش‌های سیلیکون نوع منفی () و نوع مثبت () ذوب می‌شوند تا محل پیوند ایجاد شود. از نظر کلی، در معماری ساختار سلول خورشیدی یک پوشش ضد انعکاس (Anti-Reflection) نیز اضافه می‌شود که جذب نور را بهبود می‌بخشد و در ادامه شیشه محافظ در جلو و پشت پلاستیکی و اتصالات فلزی می‌دهد تا سلول بتواند به مدار وصل شود.

از جمله مزیت های سلول خورشیدی نسل اول، می توان به جذب وسیعی از طیف و تحرک پذیری بالای حامل ها اشاره کرد. از معایب این نسل از سلول ها نیز می توان به فناوری تولید پرهزینه، فرآیند برشکاری دشوار (برای بدست آوردن سلول ها از شمش ها) و پایین بودن میزان بهره وری مناسب از میزان تابش و حرارت دریافتی (میزان راندمان پایین) اشاره کرد.

·         سلول خورشیدی نسل دوم

با نگاهی بر تکنولوژی تولید سلول خورشیدی نسل اول و دوم، در می یابیم که سلول خورشیدی نسل اول با ضخامتی در حدود 200 میکرومتر در مقایسه با سلول‌های نسل دوم (با لایه نازک از جنس TPSCیا TFPV) و ضخامت چند میکرومتر، تقریباً 100 برابر بار ضخیم تر هستند که این موضوع موجب احتیاج به فضای بیشتر، سازه های نگهدارنده قوی تر و نیز وزن بیشتر کل خواهد شد که این مسائل، از نظر اقتصادی و نیز اجرایی محدودیت هایی را برای مشتریان و کاربران بهمراه خواهد داشت. در تکنولوژی تولید سلول های خورشیدی نسل دوم، اگرچه هنوز از سیلیکون استفاده می شود؛ اما به کمک بهره گیری از نوع دیگر سیلیکون، یعنی سیلیکون آمورف (a-Si) در ساختار داخلی سلول خورشیدی نسل دوم، اتم‌ها بطور تصادفی قرار می‌گیرند؛ نه اینکه دقیقاً در یک ساختار بلوری منظم مرتب شوند. هر چند که در برخی موارد تولیدی از دیگر عناصر، به ویژه از کادمیوم تلورید (Cd -Te) و دی‌سلنید گالیوم ایندیم مس (CIGS) نیز استفاده می شود.

باتوجه به این مسئله که یکی از ویژگی های مهم در سلول‌های خورشیدی نسل دوم، کاهش محسوس ضخامت آنها نسبت به نسل اول می باشد، این موضوع موجب شده است تا نازک بودن، وزن سبک و قابلیت انعطاف را به ارمغان آورد و امکان نصب و استفاده از آنها را بر روی پنجره‌ها، نورگیرها، کاشی‌های سقف و انواع لایه از جمله فلزات، شیشه، پلیمرها و پلاستیک‌ها فراهم شود. نکته قابل توضیح این است که در سلول‌های نسل دوم، در مقابل افزایش انعطاف‌پذیری، میزان بهره‌وری و راندمان آنها کاهش می یابد. در همین خصوص، می توان اشاره کرد که سلول‌های خورشیدی نسل اول نسبت به نسل دوم بازده بهتری دارند؛ اگرچه در عمل ممکن است یک سلول با کیفیت از نسل اول به بازدهی 15 تا 20 درصد برسد، اما عنصر سیلیکون آمورف (که از جمله عناصر کاربردی در ساخت سلول های نسل دوم می باشد) برای به دست آوردن بازدهی بالاتر از 7 درصد، با چالش هایی دست و پنجه نرم کند. این در حالی است که بهترین سلول‌های ساخته شده از کادمیوم تلورید (Cd -Te) با فیلم نازک فقط حدود 11 درصد بازدهی دارد. سلول‌های ساخته شده از دی‌سلنید گالیوم ایندیم مس (CIGS) نیز بهتر از این نیستند و بازدهی آن‌ها از 7 تا 12 درصد است. در واقع، میزان بهره وری و راندمان پایین تر در سلول های نسل دوم، یکی از دلایل اصلی که با در نظر گرفتن مزیت‌های عملی آن ها، تاکنون تأثیر نسبتاً کمی بر بازار انرژی خورشیدی داشته‌اند و مورد استقبال کافی قرار نگرفته اند.

·         سلول خورشیدی نسل سوم

در جدید ترین نسل از سلول خورشیدی سعی بر آن شده است تا ویژگی‌های برتر نسل اول و دوم باهم در اختیار باشد بگونه ای که مانند نسل اول دارای بازده نسبتاً بالا (30 درصد یا بیشتر) و مشابه نسل دوم، از موادی هم خانواده سیلیکون (مانند سیلیکون آمورف، پلیمرهای آلی و بلورهای پروسکایت و دیگر مواد که دارای پیوند از مواد نیمه‌هادی مختلف هستند و از چند لایه ساخته شده‌اند، در تولید استفاده شود. قابل انتظار است که سلول‌های نسل سوم نسبت به نسل اول یا نسل دوم، ارزان‌تر، کارآمدتر و کاربردی‌تر باشند.