سلولهای خورشیدی

در این مقاله قصد داریم تا شما دنبال کنندگان سایت شرکت بازرگانی کیمیا تجارت تات را با فناوری سلولهای خورشیدی آشنا کنیم. اختراعی که از زمان ورود به عرصه‌ صنعتی توانست توجهات زیادی را به خود جلب کند. این دستاورد علمی نه تنها گسترش و تنوع زیادی پیدا کرد، بلکه روز به روز راه های جدیدتری برای بهبود و افزایش بازده آن طراحی می شود. در ادامه‌ این مقاله با ما همراه باشید تا شما عزیزان را با تمامی آنچه که در حوزه‌ این فناوری نوین نیاز است، آشنا کنیم.

آشنایی با سلولهای خورشیدی

سلولهای خورشیدی، PV یا سلولهای فتوولتائیک (photovoltaic cell) قطعات الکترونیکی هستند که از طریق اثر فوتوولتاییک، انرژی فوتونهای نور خورشید را به جریان برق تبدیل می کنند. اندازه هر سلول تقریبا به اندازه‌ کف دست است. این سلول 8 ضلعی (سیاه مایل به آبی) از طریق پیوستن به سلولهای دیگر، واحدهای بزرگتری به نام ماژول خورشیدی (Solar Module) را به وجود می آورد. ماژولها نیز به یکدیگرمی پیوندند و صفحه یا پنل خورشیدی (Solar Panel) را به وجود می آورند. از آنجایی که نور خورشید طیف وسیعی از تشعشعات الکترومغناطیس با سطوح انرژی متفاوت است، دامنه متفاوتی از انرژیها سطح سلولهای خورشیدی را بمباران می کنند. با این حال تقریبا 70% انرژی تابشی هدر می‌ رود.

سلول خورشیدی در طول زمان به صورتهای مختلفی کامل شدند که شامل: فناوری نسل اول این سلولها بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ساختار بلوری به  ضخامت 300 تا 400 میکرومتر ساخته شدند. این ساختارهای بلوری از بریدن شمش یا از روش EFG(با کمک خاصیت مویینگی) ساخته و یا اصطلاحا رشد داده می‌ شوند. این سلولها شامل سیلیکون مونو-کریستالی، پلی-کریستالی و String Ribbon می باشند. نسل دوم این سلولها (تکنولوژی لایه نازک)، بر روی بسترهای شیشه ای، فلزی یا پلیمری لایه ای نیمه هادی قرار می دهند. این سلولها نسبت به انواع اول ارزان تر، با کیفیت تر، دارای بازدهی بیشتر و همچنین 100 برابر بزرگتر هستند. انواع این سلولها شامل Amorphous Silicon (a-Si)، Cadmium Telluride (CdTe)، Copper Indium Gallium Selenide (CIS/CIGS) و Organic Photovoltaic Cells (OPC) می باشند. در نسل سوم از طریق اتصال سلولهای متوالی می توان به ساختارهای سلولهای خورشیدی نقطه کوانتومی، چاه کوانتومی و سلولهای حامل داغ دست پیدا کرد. این سلول نسبت به سایر انواع، بازدهی کمتری دارند، اما ارزانترهستند و قابلیت انعطاف پذیری بیشتری برای مصارف غیر صنعتی دارند

چگونگی ساخت و مکانیسم عمل سلولهای خورشیدی

فناوری ساخت سلولهای خورشیدی یکی از هیجان انگیزترین مباحث در علوم مدرن است. این سلولها معمولا از مواد نیمه رسانا (semiconductor) به ویژه سیلیسیم به همراه مقداری ناخالصی، ساخته می شوند. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند برقرار می کند و ساختاری کریستالی ایجاد می شود. اتمهای ناخالص این ساختار اگر 5 ظرفیتی باشند پس از برقراری ارتباط با 4 اتم دیگر سبب منفی کردن(Negative) سیلیسیم می شوند. اما اگر اتم ناخالص 3 ظرفیتی باشد، حفره ای اضافی ایجاد می‌ شود که جای خالی چند الکترون دیگر و ساخت سیلیسیم مثبت(Positive) می گردد. برقراری ارتباط بین این دو لایه سبب شارش الکترونها از لایه n به p می شود. انتقال میدان ایجاد شده باربرها (الکترونها و حفره‌ها)، تا جایی قویتر می گردد که انتقال خالص به صفر برسد. در این حالت، شرایط برای هم سطح شدن ترازهای فرمی دو ناحیه با یکدیگر و ایجاد میدان الکتریکی داخلی فراهم خواهد شد.

اگر در چنین شرایطی، فوتونهای موجود در نور خورشید به این پیوندها بتابند، به علت انرژی بیشتری نسبت به شکاف نیمه هادی، زوج الکترون-حفره می سازند و شانس شارش الکترون را افزایش می دهند. در این زمان، اگر بر مسیر حرکت الکترونهای اضافی اتصال کوتاهی (از طریق یک مصرف‌ کننده) برقرار کنیم، عبور جریان سبب فعالیت دستگاه مورد نظر می گردد. برای تولید میدان الکتریکی قوی تر از شکافهای نیمه هادی با اختلاف تراز فرمی بزرگتر استفاده می کنند. سلولهای خورشیدی دارای مواد آلی، بازده بسیار کمتری نسبت به انواع سیلیکونی دارند اما می توانند با دریافت امواج مادون قرمز نیز جریان برق تولید کنند. راندمان عملکرد هر ماژول خورشیدی استاندارد در 25 تا 30 سال ابتدایی بسیار خوب است. بسیاری از کارشناسان باور دارند که فارغ از میزان افت تولید، می توان عمر این سلولها را تا 50 سال نیز در نظر گرفت.

کاربرد سلولهای خورشیدی در زندگی بشر

سلولهای خورشیدی کاربردهای فراوانی در زندگی روزانه ما برعهده دارند که از جمله آنها می توان به این موارد اشاره کرد: تامین برق منازل از طریق نصب بر روی پشت بامها یا نصب بر روی تنه درختان، ساخت تراشه های کوچک برای تامین برق مورد نیاز ساعتهای دیجیتالی و ماشین حسابهای جیبی و …، ساخت باتری گوشیهای هوشمند، ساخت علائم چشمک زن جاده ای و راه آهنها، تامین برق یخچال، پمپهای آب و کلینیکهای بهداشتی، تامین برق دفاتر کار، ساختمانهای مخابراتی دور دست و کاوشگرهای فضایی.

سوالات متداول سلولهای خورشیدی

1- هر متر مربع از سلولهای خورشیدی چه میزان انرژی از نور خورشید دریافت می کنند؟

به طور متوسط‌​​، هر متر مربع از این سلولها  164 وات انرژی دریافت می‌ کند. به همین علت، اگر فقط تنها 1% از مساحت صحرای بزرگ آفریقا را با این پنلها بپوشانیم، برق کافی برای انرژی کل جهان تامین خواهد شد.

2- بازده پنلهای خورشیدی چقدر است؟

از آنجایی که تمامی فوتونهای خورشیدی که بر سطح این پنلها تابیده می شوند انرژی کافی برای فعال کردن این پنلها را ندارند، بازدهی نهایی در بهترین حالت (در آزمایشگاه) تنها 46% است. حال آنکه در محیط آزاد، این بازده به 15% (در بهترین حالت) می رسد.

3- مزایای استفاده از پنلهای خورشیدی چیست؟

این فناوری برخلاف سوختهای فسیلی آلودگی ایجاد نمی کند. طول عمر بالایی دارد و دیگر نیازی به نگرانی در رابطه با اتمام این ذخایر نیست. در کنار این مزایا، هزینه نگهداری از پنلهای خورشیدی بسیار ناچیز است.

4- استفاده از پنلهای خورشیدی چه معایبی دارد؟

اولین عیب این سلولها هزینه ابتدایی بالا برای خرید آنها می باشد. این سلولها نسبت به ذخایر فسیلی راندمان پایینی دارند. فعالیت آنها وابستگی شدیدی به وجود نور خورشید دارد بنابراین در روزهای ابری و همچنین در شب، انرژی تولید نمی کنند.

5- علت استفاده از نسلهای جدید پنلهای خورشیدی، علی رغم کارایی پایینتر آنها چیست؟

سلولهای نسل جدید به دلیل هزینه ساخت پایینتر و انعطاف پذیری بیشتر در طول موجی که در آن بیشترین جذب را دارند، برای مصارف غیر صنعتی مناسبتر هستند.