سلول خورشیدی

انرژی مورد نیاز بشر و انرژی خورشید

انرژی که از طریق خورشید به زمین می‌رسد ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان است. مصرف انرژی در سال ۲۰۵۰ یعنی سال ۱۴۲۹ شمسی، ۵۰ تا ۳۰۰ درصد بیشتر از مصرف امروزی آن خواهد بود. با اینحال اگر فقط ۰٫۱ درصد از سطح زمین با مبدل‌های انرژی خورشیدی پوشیده شوند و تنها ۱۰ ٪ بازده داشته باشند برای تأمین انرژی مورد نیاز بشر کافی است.
در مرکز خورشید هر ثانیه ۷۰۰ تن هیدروژن به انرژی تبدیل می‌شود (به صورت فوتون یا نوترینو). دمای خورشید در مرکز آن ۱۵ میلیون و در سطح آن ۶ هزار درجه سانتیگراد است. انرژی تولید شده در سطح خورشید بعد از ۸ دقیقه به سطح زمین می‌رسد. نور خورشید که به زمین می‌رسد شامل طول موج‌های زیر است: ۴۷ درصد فرو سرخ، ۴۶ درصد نور مرئی، ۷ درصد فرابنفش. از این رو سلول‌های خورشیدی باید در ناحیه فرو سرخ و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند.

فناوری‌های ساخت سلول‌های خورشیدی

در حال حاضر دو فناوری در ساخت سلول‌های خورشیدی غالب است: فناوری نسل اول و نسل دوم.
فناوری نسل اول بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت ۴۰۰–۳۰۰ میکرومتر است که ساختاری بلوری یا چند بلوری دارند که یا از بریدن شمش بدست می‌آیند یا از روش EFG و با کمک خاصیت مویینگی رشد داده می‌شوند.
فناوری نسل دوم یا تکنولوژی لایه نازک، براساس لایه نشانی نیمه هادی روی بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری، در ضخامت‌های ۵–۳ است.
هزینه مواد اولیه در تکنولوژی نسل دوم، پایین‌تر است و از آن گذشته، اندازه سلول تا ۱۰۰ برابر بزرگتر از اندازه سلول ساخته شده با تکنولوژی نسل اول است که مزیتی برای تولید انبوه آن محسوب می‌شود. در عوض بازدهی سلول‌های نسل اول، که اغلب سلول‌های بازار را تشکیل می‌دهند، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی سلول‌های نسل دوم بیشتر است. انتظار می‌رود اختلاف بازدهی میان سلول‌های دو نسل با گذشت زمان کمتر شده و تکنولوژی نسل دوم جایگزین نسل اول شود
در سال ۱۹۶۱، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای ۳۰۰ کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، ۳۰٪ است که در انرژی شکاف eV1.4 یعنی انرژی شکاف گالیم آرسناید بدست می‌آید. بنابراین بازدهی سلول‌های خورشید نسل اول و دوم حتی در بهترین حالت نمی‌تواند از حوالی ۳۰٪ بیشتر شود. این در حالی است که حد کارنو برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی ۹۵٪ است. و این مقدار تقریباً سه برابر بیشتر از بازدهی نهایی سلول‌های نسل اول و دوم است.
بنابراین دستیابی به سلول‌هایی با بازدهی‌هایی دو تا سه برابر بازدهی‌های کنونی، امکان‌پذیر است. سلول‌های خورشیدی که دارای چنین بازدهی‌هایی باشند، نسل سوم سلول‌های خورشیدی نامیده می‌شوند.
سلول‌های متوالی، سلول‌های خورشیدی چاه کوانتومی، سلول‌های خورشیدی نقطه کوانتومی، سلول‌های حامل داغ، نسل سوم سلول‌های خورشیدی را تشکیل می‌دهند.

سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی

این سلول در مقایسه با دیگر سلولهای خود بازدهی کمتری دارد و تنها به دلیل هزینه ساخت کمتر و قابلیت انعطاف‌پذیری برای مصارف غیر صنعتی مناسب می‌باشد و قابلیت استفاده دارد.

فتوولتاییک یکپارچه ساختمان (BIPV) (Building Integrated PV)

فتوولتاییک یکپارچه ساختمان نسبت به انواع خاص تکنولوژی‌های سلول خورشیدی، دارای چندین روش ساخت و انواع اشکال مختلف می‌باشد که می‌تواند بر پایه سیلیکون کریستالی یا تین فیلم باشد.
BIPV می‌تواند شامل نما، سقف، پنجره، دیوار و بسیاری وسایل دیگر که با ماده فتوولتاییک ترکیب شده‌اند باشد. در صورتی که پول بیشتری دارید و می‌خواهید فتوولتاییک را با عناصر مختلف خانه خود ترکیب کنید، به دنبال BIPV بروید. برای اغلب افراد این را آسان، بسیار هزینه بر است.

شیوه ساخت سلول‌های خورشیدی (فتوولتائیک)

سلول‌های فتو ولتائیک از مواد ویژه‌ای ساخته شده‌اند که آن‌ها را semiconductor یا نیمه رسانا می‌نامیم از این مواد می‌توان به سیلیکون اشاره کرد که اکنون بسیار پرکاربرد است در اصل هنگامی که نور با سلول برخورد می‌کند مقدار مشخصی از آن توسط مواد نیمه رسانا جذب می‌شود این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتقل می‌شود انرژی به الکترون‌های سست ضربه می‌زند و اجازه می‌دهد که آن‌ها آزاد شده و به گردش در آیند.
سلول‌های فتو ولتائیک دارای یک میدان الکتریکی هستند که به عنوان یک اجبار برای الکترون‌های آزاد شده توسط نور جذب شده عمل می‌کند و آن‌ها را در جهت معینی به جریان می‌اندازد این گردش الکترون‌ها یک جریان ایجاد می‌کند و با قرار دادن اتصال‌های فلزی در پایین و بالای سلول فتو ولتائیک می‌تواند این جریان را برای مصارف مختلف بیرون بکشد این جریان به همراه ولتاژ درون سلول‌ها که در نتیجه میدان یا میدان‌های الکتریکی درونی سلول ایجاد می‌شود قدرت یا ولتاژ تولیدی توسط یک سلول خورشیدی را تعریف می‌کنند.

فیلم آموزشی فرایند ساخت سلول خورشیدی

اتلاف انرژی در یک سلول خورشیدی

نور مرئی تنها بخشی از طیف الکترومغناطیس است تشعشع الکترومغناطیس تک رنگ نیست و از دامنه‌ای از طول موجهای مختلف تشکیل شده و در نتیجه سطوح انرژی متفاوتی دارد.
نور را هم می‌توان به طول موج‌های گوناگونی تجزیه کرد که ما آن را به شکل رنگین کمان می‌بینیم از آنجایی که سلول ما توسط فوتون‌هایی با دامنه انرژی‌های متفاوت مورد اصابت قرار می‌گیرد لذا برخی از آن‌ها انرژی لازم برای شکست پیوند الکترون حفره را ندارند آن‌ها به سادگی از درون سلول می‌گذرند درست انگار که از یک شیشه شفاف عبور کرده‌اند در حالی که برخی دیگر از فوتون‌ها انرژی بسیار زیادی دارند تنها میزان مشخصی از انرژی که با الکترون ولت اندازه‌گیری شده می‌تواند بر الکترون‌های اتم‌های سیلیکون سلول خورشیدی ما اثرگذارد اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم داشته باشد پس انرژی اضافی هدر می‌رود مگر اینکه فوتون انرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشته و بتواند به‌طور همزمان دو الکترون را رها کند که این هم چندان زیاد نیست که معنی دار محسوب شود. به این صورت است که تقریباً ۷۰ درصد انرژی تابشی دریافتی توسط سلول ما در واقع تلف می‌شود و کارایی ندارد
یکی دیگر از دلایل اتلاف انرژی در سلول خورشیدی و عدم بازده حداکثری، بازترکیب است.

چگونگی تأمین انرژی خانه با سلول خورشیدی

تمامی پشت بام‌ها جهت مناسب یا زاویه و شیب لازم برای استفاده کامل ازنور خورشید را ندارند سیستم‌های فوتو ولتائیک ثابت که امکان رهگیری نور خورشید را ندارد باید در جهت مناسبی نصب شوند که بیشترین مدت روز و بیشترین مدت سال از نور مستقیم خورشید بهره‌مند شوند هنگام نصب این نکته هم باید در نظر گرفته شود که شما می‌خواهید حداکثر برق را در صبح تولید کنید یا هنگام عصر آن را در اختیار داشته باشید از خانه در زمستان بیشتر استفاده می‌شود یا تابستان و پنل‌ها نباید توسط سایه درختان اطراف خانه یا خانه‌های همسایه‌ها پوشانده شوند.
اگر پشت بام شما در جهت مناسبی قرار ندارد اکنون لازم است دربارهٔ اندازه سیستم انتخابی تان تصمیم‌گیری کنید. مثلاً اینکه تولید الکتریسیته بستگی به آب و هوا هم دارد که اصلاً نمی‌توان آن را پیش‌بینی کرد. یا اینکه میزان مصرف الکتریسیته شما کاملاً متغیر است خوشبختانه اطلاعات هواشناسی به ما امکان سنجش میزان تابش ماهیانه خورشید را می‌دهند دیگر فاکتورهای مهم چون روزهای بارانی ابری و میزان رطوبت را هم برای مان پیش‌بینی می‌کنند شما باید سیستم را بر اساس بدترین ماه طراحی کنید پس از آن در تمام سال انرژی کافی و حتی اضافی در اختیار خواهید داشت با در اختیار داشتن این اطلاعات و دانستن میانگین نیاز خانه‌تان به راحتی می‌توانید محاسبه کنید که به چه تعداد ماژول فوتو ولتائیک نیاز دارید همچنین باید در خصوص ولتاژ سیستم هم از همان ابتدا تصمیم‌گیری کنید این چیزی است که با تعداد ماژولی که به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند کنترل می‌شود.