سلول خورشیدی

[!Hooman 10133]

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

 

 

سلول خورشیدی یا سلول فوتوولتاییک ابزاری است که انرژی خورشیدی را تحت اثر فوتوولتاییک به الکتریسیته مبدل می‌کند. فن‌آوری فوتوولتاییک شاخه‌ای از فن‌آوری است که به کاربرد سلول‌های خورشیدی می‌پردازد. گاهی اصطلاح سلول خورشیدی تنها برای ابزارهایی به کار می‌رود که مختص تبدیل انرژی نور خورشید هستند، در حالی که عبارت سلول فوتوولتاییک به صورتی عام‌تر به کار می‌رود. سازه‌ای که از کنار هم چیدن سلول‌های خورشیدی به دست می‌آید را واحد خورشیدی گویند که خود این سازه‌ها را می‌توان به هم متصل ساخت تا آرایه‌ی فوتوولتاییک به دست آید.

سلول‌های خورشیدی کاربرد بسیاری دارند. سلول‌های تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاه‌های کوچک‌تر مانند ماشین حساب الکترونیکی به کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک الکتریسیتهٔ بازیافت‌شدنی‌ای را تولید می‌کنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال می‌توان به محل‌های دور از دسترس، ماهواره‌های مدارگرد، کاوش‌گرهای فضایی، ساختمان‌های مخابراتی دور از دسترس واستعمال در دستگاههاي پمپ آب اشاره کرد. علاوه بر این، استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل‌هایی که شبکهٔ توزیع هم موجود است مرسوم شده‌است.

 

تئوری

 

توضيح ساده

سلول خورشیدی

1. فوتون‌های موجود در نور خورشيد به صفحه‌ی خورشيدی برخورد می‌كنند و بوسيله جسم نيمه‌رسانايی مانند سيلسكون جذب مر‌شوند.

2. الكترون‌هايی(دارای بار منفی) كه تحت تأثير برخورد فوتون‌ها قرار گرفته‌اند، فرصت می‌يابند كه برای توليد الكتريسيته در ماده جريان يابند. با توجه به ساختار ويژه سلول‌های خورشيدی، الكترون‌ها فقط می‌توانند در يك جهت حركت كنند.بارهای مثبت مكملی هم تشكيل می‌شوند(مثل حباب) كه حفره‌ (الكترونی) نام دارند و در جهتی خلاف جهت الكترون‌ها در صفحه‌ی خورشيدی سيليكونی جريان می‌يابند.

3. آرايه‌ی صفحه‌های خورشيدی، انرژی خورشيدی را به ميزان(مقدار) قابل استفاده‌ای از جريان مستقيم الكتريسيته(برق) تبديل می‌كند.

 

توليد نور توسط حاملان بار

وقتی فوتونی به قسمتی از سيلسكون برخورد می‌كند، يكی از سه مورد زير ممكن است اتفاق بيفتد: 1. فوتون می‌تواند به طور مستقيم از سيليكون عبور كند- اين مورد(معمولاً) برای فوتون‌هايی با انرژی كمتر اتفاق می‌‌افتد.

2. فوتون می‌تواند از سطح منعكس شود.

3. در صورتی كه انرژی فوتون از مقدار (انرژی) فاصله‌ی لايه بيشتر باشد، می‌تواند توسط سيلسكون جذب شود.اين رويداد يك جفت حفره‌ی الكترونی و گاهی نيز گرما ايجاد می‌كند كه اين نحوه‌ی توليد بستگی به ساختار شبكه دارد.

وقتی فوتونی جذب می‌شود، انرژی‌اش به الكترون‌ موجود در شبكه‌ی بلوری منتقل می‌شود.اين الكترون معمولاً در لايه‌ی ظرفيت وجود دارد و با نيروی زيادی توسط پيوندهای كوالانسی موجود بين اتم‌های مجاور، محدود شده است. بنابراين نمی تواند خيلی دور شود. انرژی داده شده به آن توسط فوتون، الكترون را برای مهاجرت به لايه‌ی هدايت، جايی كه بتواند به راحتی درون جسم نيمه رسانا حركت كند، برانگيخته می‌كند. پيوند كوالانسی كه قبلاً الكترون بخشی از آن بود اكنون يك الكترون كمتر دارد- كه اين همان حفره(الكترونی) است.

كمبود الكترون در پيوند كوالانسی اين فرصت را به الكترون‌های بسته در اتم‌های مجاور می دهد كه به درون حفره‌ای وارد شوند،حفره‌ی ديگری راپشت سر بگذارند و به اين ترتيب يك حفره می‌تواند در طول شبكه حركت كند. بنابراين می‌توان گفت كه فوتون‌های جذب شده در جسم نيمه رسانا جفت حفره‌های الكترونی‌ سيار(متحرك) ايجاد كنند. يك فوتون برای اينكه بتواند الكترون را برای مهاجرت از لايه‌ی ظرفيت به لايه‌ی هدايت برانگيخته كند تنها نياز به اين دارد كه انرژی‌ای بسيار بيشتر از (انرژی) فاصله‌ی (شكاف) لايه داشته باشد.

اگرچه، طيف فركانس خورشيدی به محدوده‌ی طيف جسم سياه در 6000 می‌رسد، با اين حال بيشتر پرتوهای خورشيدی كه به زمين می‌رسند از فوتون‌هايی تشكيل شده‌اند كه انرژی‌ای بسيار بيشتر از (انرژی) فاصله‌ی (شكاف) لايه در سيلسكون دارند. اين فوتون‌ها كه دارای انرژی زيادی هستند می‌توانند توسط سلول‌های خورشيدی جذب شوند، اما اختلاف انرژی بين اين فوتون‌ها و فاصله(شكاف) لايه سيليكونی بيش از آنكه تبديل به انرژی الكتريسيته‌ی قابل استفاده‌ای شود، به گرما (بوسيله‌ی ارتعاش شبكه كه فونون نام دارد) مبدل مي‌شود.

 

تفكيك حاملان بار

دو روش عمده برای تفكيك حاملان بار در يك سلول خورشيدی وجود دارد: 1. جابجايی حاملان بوسيله‌ی ميدان الكتريكی موجود در داخل دستگاه

2. نفوذ(انتشار) حاملان بار از بخش با تجمع بيشتر به بخش با تجمع كمتر

درسلول‌های خورشيدی پركاربرد دارای پيوند p-n ،عمده‌‌ترين روش برای جداسازی حاملان بار استفاده از جابجايی می‌باشد. اما در سلول‌های خورشيدی بدون پيوند p-n ( نمونه‌ای از نسل سوم پژوهش درباره‌ی سلول‌های خورشيدی مانند رنگ و سلول‌های خورشيدی با غشای نازك پليمری) وجود ميدان الكتريكی عمومی تأييد نشده است و روش كنونی جداسازی، از طريق نفوذ حاملان بار امكان پذير می‌باشد.

 

پيوند p-n

رايج ترين سلول خورشيدی شناخته شده از يك پيوند p-n قوی از جنس سيلسكون تشكيل شده است.به بيان ساده‌تر، می‌توانيد تصور كنيد كه لايه‌ای از نوع n سيلسكون در تماس مستقيم با لايه‌ای از نوع p قرار می‌گيرد. در عمل، پيوندهای p-n سيلسكونی سلول‌های خورشيدی با اين روش ساخته نمی‌شوند بلكه با تزريق يك نوع n به قسمتی از قطعه‌ی سيلسكونی نوع p (يا برعكس) انجام می‌گيرد. اگر قطعه‌ای از سيلسكون نوع p در مجاورت قطعه‌ی ديگری از نوع n قرار گيرد، در نتيجه‌ی آن الكترون‌ها از بخش با تجمع الكترونی بيشتر (بخش نوع n پيوند) به بخش با تجمع الكترونی كمتر (بخش نوع p پيوند) نفوذ می‌كنند.(انتشار می‌يابند) وقتی الكترون‌ها در ميان پيوند p-n نفوذ كنند، با حفره‌های بخش نوع p جفتگيری می‌كنند. نفوذ حاملان به طور قطعی اتفاق می‌افتد، اگرچه به خاطر ميدان الكتريكی‌‌ای است كه در اثر به هم خوردن بلافاصله‌ی تعادل بين بارها در دو طرف پيوند تشكيل شده است كه اين عدم تعادل را نيز همان نفوذ به وجود آورده است. ميدان الكتريكی بوجود آمده در پيوند p-n تشكيل يك ديود می‌دهد كه اين ديود باعث افزايش شدت جريان می‌شود تا جريان را فقط در يك جهت در طول پيوند عبور دهد. الكترون‌ها می‌توانند از بخش نوع nبه بخش نوع p بروند وحفره‌ها نيز از بخش نوع p به بخش نوع n بروند اما نمی‌توانند در جهات ديگر حركت كنند. اين ناحيه را كه الكترون‌ها در پيوند نفوذ كرده‌اند لايه‌ی تهی می‌نامند زيرا شامل هيچگونه حامل بار متحركی نمی‌شود. همچنين به عنوان " ناحيه‌ی دارای بار" نيز شناخته می‌شود.

 

اتصال به بار خارجی

جسم اهمی- اتصالات نيمه رسانايی هم برای بخش نوع n ونوع p سلول خورشيدی و هم برای الكترون‌های متصل به بار خارجی ساخته شده است. الكترون‌هايی كه روی بخش نوع n تشكيل می‌شوند و يا بوسيله‌ی پيوند دريافت شده‌اند و به بخش نوع n متمايل شده‌اند می‌توانند در طول سيم حركت كنند، به بار خارجی اعمال ولتاژ كنند و به حركت خود در طول سيم ادامه دهند تا به جسم نيمه رسانای نوع p اتصال يابند. در اينجا آنها با حفره‌ای كه به عنوان جفت حفره‌ی الكترونی روی بخش نوع p سلول خورشيدی بوجود آمده بود، جفتگيری می‌كنند يا بعد از تشكيل از بخش نوع n به سمت پيوند متمايل می‌شوند.

__________________