سلول خورشیدی

سلول خورشیدی(Solar cell)یاسلول فتوولتاییک(photovoltaic cell)یک قطعه

الکترونیکی است که به کمکاثر فوتوولتاییک،انرژی نورخورشیدرا مستﻘیما بهالکتریسیتهتبدیل

میکنو که البتهنبایدباصفحه خورشیدیاشتباه نشود.

سلول خورشیدی ساخته شده ازویفرسیلیکونی بلورین

سلولهای خورشیدی ساخته شده ازویفرهایسیلیکونی، کاربرد بسیاری دارند. سلولهای

خورشیدی به تنهایی، برای فراهم کردن توان لازم دستگاههای کوچک، مانندماشین حساب

الکترونیکیکاربرد دارد. آرایههای فوتوولتاییک، الکتریسیتهیپایداروتجدیدپذیریرا تولید

میکنند که عمدتا در موارد عدم وجود شبکهیانتﻘال و توزیع الکتریکیکاربرد دارد. برای مثال

میبه محل توانهای دور از دسترس، مانندماهوارههای مدارگرد،کاوشگرهای فضاییو

ساختمانهایمخابراتیدور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوعانرژیامروزه در

محلهایی که شبکهیتوزیعهمموجوداست،بهمنظورکمکبهکمکردنتکیهوفشاربر

سوختهای فسیلیو دیگر دشواریهایمحیط زیستو از دیدگاهاقتصادیمرسوم شده و در حال

گسترش است.

امروزه انسان با پیشرفتهایی که در زمینههای مختلف کردهاست، نیازی روزافزون بهانرژی

پیدا کرده و ازاین رو در پی تامین انرژی مورد نیاز از منابع مختلف تجدید پذیر است.یکی از این

منابع که طی20سال اخیر، از آن ا ستفاده میشود، انرژی خور شیدی ا ست.خور شیددر هر ثانیه

حدود1000ژولانرژی به هر متر مربع از سطحزمینمنتﻘل میکند که با جمعآوری کردن آن

میتوان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تامین کرد.

انرژی مورد نیاز بشر و انرژی خورشید

انرژی که از طریقخور شیدبه زمین میر سد10000بار بی شتر از انرژی مورد نیاز ان سان

است.مصرف انرژی در سال2050یعنی سال1429شمسی،50تا300درصد بیشتر از مصرف

امروزی آن خواهد بود. با اینحال اگر فﻘط0٫1درصد از سطح زمین با مبدلهای انرژی خورشیدی

پوشیده شوند و تنها10٪بازدهداشتهباشندبرایتامینانرژیمورد نیاز بشر کافی است.

در مرکز خور شید هر ثانیه700تن هیدروژن به انرژی تبدیل میشود )به صورتفوتونیا

نوترینو(.دمای خورشید در مرکز آن15میلیون و در سطح آن6هزاردرجه سانتیگراداست.

انرژی تولید شده در سطح خور شید بعد از8دقیﻘه به سطح زمینمیر سد.نور خور شید که به

زمینمیر سد شامل طول موجهای زیر ا ست:47در صدفرو سرخ،46در صدنور مریی،7در صد

فرابنفش.از این رو سلولهای خور شیدی باید در ناحیهفرو سرخونور مرییجذب بالایی دا شته

باشند.

تخمین ظرفیت جهانی سلولهای خورشیدی نصب شده

نمودار تولید سلولهای خورشیدی توسط کشورهای مختلف

ساختار باتری خورشیدی

ناسااز همان ابتدا از سلولهای خورشیدی در ماهوارههای خود استفاده کرد.ماهواره

Explorer 6که در1959به فضا پرتاب شد، دارای4آرایه از سلولههای خورشیدی تاشونده بود

که انرژی مورد نیازماهوارهرا برای ماهها تامین میکرد.

باتریهای خورشیدی معمولا از موادنیمهرسانا، مخصوصاسیلیسیم، تشکیل شدهاست.هر

س اتمیلی سیم با چهار اتم دیگر پیوند ت شکیل میشکل صورت، دهد و بدینکری ستالیآن پدید

میآید.در باترییدی بههای خورشیمیلیسسافه میی اضمﻘداری جزیی ناخالصکنند. اگر اتم

ناخال صی5ظرفیتی با شد )اتم سیلی سیم4ظرفیتی ا ست(، آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلی سیم

یک لایهیآنبدون پیوند باقی میماند )یک تکالکترون.(به همین دلیل چون بار نسبی منفی

پیدا مییم نوعیلیسکند به آن س( N) Negativeمیگویند.ی دارایورتی که اتم ناخالصدرص

ظرفیت3باشد، آنگاه یک حفرهیاضافیایجاد میشود. حفره را به گونهای میتوان گفت که

جای خالی الکترون است، با بار مثبت )به اندازهیالکترون(وجرمی برابر با جرم الکترون؛ که این

امر هم باعث مثبت شدن نسبی ماده میشود و به آن سیلیسیم نوع(P) Positiveمیگویند.

هرباتریخورشیدی از6لایه تشکیل شده که هر لایه را مادهای خاص تشکیل میدهد.

عملکرد باتری خورشیدی

با اتصال یکنیمه هادینوعpبه یکنیمه هادینوعn،الکترونهااز ناحیهnبه ناحیهp

وحفرههااز ناحیهpبه ناحیهnمنتﻘلمیشوند. با انتﻘال هر الکترون به ناحیهp، یک یون مثبت

در ناحیهnو با انتﻘال هر حفره به ناحیهn، یک یون منفی در ناحیهpباقی میماند. یونهای

مثبت و منفیمیدان الکتریکیداخلی ایجاد میکنند که جهت آن از ناحیهnبه ناحیهpاست. این

میدان با انتﻘال بیشتر باربرها )الکترونها و حفرهها(، قویتر و قویتر شده تا جایی که انتﻘال خالص

باربرها به صفر میر سد. در این شرایطترازهای فرمیدو ناحیه با یکدیگر هم سطح شدهاند و یک

میدان الکتریکی داخلی نیز شکل گرفتهاست.

دیاگرام انرژی سلول خورشیدی

ید به پیوند بتابد،رایطی، نور خورشاگر در چنین شفوتونهاییکه انرژی آنها از انرژی

شکاف نیمه هادی بیشتر است، زوج الکترون-حفره تولید کرده و زوجهایی که در ناحیه تهی یا

حوالی آن تولید شدهاند، شانس زیادی دارند که قبل از بازترکیب، توسط میدان داخلی پیوند از هم

جدا شوند.

میدان الکتریکی، الکترونها را به ناحیهnو حفرهها را به ناحیهpسوق میدهد. به این

ترتیب تراکم بار منفی در ناحیهnو تراکم بار مثبت در ناحیهpزیاد میشود.این تراکم بار، به

شکل ولتاژی در دو سر پیوند قابل اندازهگیری است. اگر دو سر پیوند با یک سیم، به یکدیگر اتصال

کوتاه شود، الکترونهای اضافی ناحیهn، از طریق سیم به ناحیهpرفته و جریان اتصال کوتاهی را

شکل میدهند. اگر به جای سیم از یک مصرفکننده استفاده شود،عبور جریان از مصرفکننده،به

آن انرژی میدهد. به این ترتیب انرژی فوتونهای نور خورشید بهانرژی الکتریکیتبدیلمیشود.

هر چه میدان الکتریکی درون پیوند قوید، ولتاژ مدار باز بزرگتری بتر باشهت میدسآید.

برای دست یافتن به یک میدان الکتریکی بزرگ، باید اختلافترازهای فرمیدو مادهpوnاز

یکدیگر زیاد باشد. برای این منظور باید انرژی شکاف نیمه هادی بزرگ انتخاب شود؛ بنابراین ولتاژ

مدار باز یک سلول خور شیدی با انرژی شکاف آن افزایش مییابد. اما افزایش انرژی شکاف سبب

میشود، فوتونهای کمتری توانایی تولید زوج الکترون-حفره داشته باشند و بنابراین جریان اتصال

کوتاه کمتری نیز تولید شود؛ بنابراین افزایش انرژی شکاف، روی ولتاژ مدار باز و جریان اتصال

کوتاه سلول دو اثر متفاوت دارد.

فناوریهای ساخت سلولهای خورشیدی

در حال حا ضر دو فناوری در ساخت سلولهای خور شیدی غالب ا ست: فناوری ن سل اول و

نسلدوم.

ل اول بر پایه ویفرهایفناوری نسیلیکونیسبخامتا ض400–300ت کهمیکرومتر اس

ت میمش بدساختاری بلوری یا چند بلوری دارند که یا از بریدن شسآیند یا از روشEFGو با

کمک خاصیتمویینگیرشد داده میشوند.

فناوری ن سل دوم یا تکنولوژی لایه نازک، برا ساس لایه ن شانینیمه هادیروی ب سترهای

شیشهای، فلزی یا پلیمری، در ضخامتهای5–3است.

هزینه مواداولیه در تکنولوژی نسل دوم، پایینتر است و از آن گذشته، اندازه سلول تا100

برابر بزرگتر از اندازه سلول ساخته شده با تکنولوژی نسل اول است که مزیتی برایتولیدانبوهآن

وب میمحسلولود. در عوض بازدهی سشلولل اول، که اغلب سهای نسکیلهای بازار را تش

میلولدهند، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی ست. انتظار میتر اسل دوم بیشهای نسرود

اختلاف بازدهی میان سلولهای دو نسل با گذشت زمان کمتر شدهو تکنولوژی نسل دوم جایگزین

نسل اول شود.

در سال1961،ShockleyوQueisserبا در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی

به شکل یک جسم سیاه با دمای300کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول

خور شیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن،30٪ا ست که در انرژی شکافeV1,4

یعنی انرژی شکاف گالیم آرسناید بهدست میآید.بنابراین بازدهی سلولهای خورشید نسل اول و

دوم حتی در بهترین حالت نمیتواند از حوالی30٪بی شتر شود. این در حالی ا ست که حدکارنو

برای تبدیل انرژی خور شیدی به انرژی الکتریکی95٪ا ست.و این مﻘدار تﻘریبا سه برابر بی شتر 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 خور شیدی چاه کوانتومی،سلولهای خور شیدی

نﻘطه کوانتومی،سلولهای حامل داغ، نسل سوم سلولهای خورشیدی را تشکیل میدهند.

انواع سلولهای خورشیدی

الف(سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون بلورین

رایجترین مادهییدیلول خورشتوده برای سیلیکون بلورینس(c-Si)تاس.ماده توده

سیلیکون با توجه به نوعکریستالو اندازه کریستال به چندین بخش تﻘسیممیشود.

•سیلیکون مونو-کریستالی(c-Si)

•سیلیکون پلی-کریستالی(poly-Si)یا مولتی-کریستالی(mc-Si)

•سلول خورشیدیString Ribbon

ب(سلولهای خورشیدی تین فیلم

به بیان ساده تین فیلم(Thin Film)یک روش تولید سلول خور شیدی ا ست که طی آن

یک یا چند لایه نازک از ماده فتوولتاییک روی یک بستر قرار میدهند. این سلولها تحت عنوان

Thin Film Photo Voltaic Cells (TFPV)نیز شناخته میشوند. انواع مختلف سلولهای تین

فیلم را میتوان بر اساس مادهیفتوولتاییک مورد استفاده در آنها طبﻘهبندی نمود.

•Amorphous Silicon (a-Si)

•Cadmium Telluride (CdTe)

•Copper Indium Gallium Selenide (CIS/CIGS)

•Organic Photovoltaic Cells (OPC)

ج(سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی

این سلول در مﻘایسه با دیگر سلولها،خود بازدهی کمتری دارد و تنها به دلیل هزینه

ساخت کمتر و قابلیت انعطافپذیری برای م صارف غیر صنعتی منا سب میبا شد و قابلیت ا ستفاده

دارد.سلولهای خور شیدی ساخته شده از مواد آلی در مﻘای سه با همتایانسیلیکونیخود بازده

ب سیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیتهایی مانندانعطافپذیری

برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. شارژر موبایل قابل حمل، کار گذاشتن باتریها در سطوح

یندارای انحناء مانند بدنه ماشتفاده از آنها و حتی اسها در لباست که برایارفی اسها، از مص

سلولهای خور شیدیآلیپیشبینی میشود. خ صو صیت دیگر آنها انعطافپذیری در طول موجی

است که در آن بیشترین جذب را دارند. در نتیجه اگر برای مثالماده آلیبا جذب درناحیهزیر

قرمزاستفاده شود از سلول خورشیدی آلی میتوان در شیشههای اتومبیل، شیشههای خانهها و هر

مکان دیگری که باید شفاف باشد، استفاده کرد.

د(فتوولتاییک یکپارچه ساختمان(BIPV) (Building Integrated PV)

فتوولتاییک یکپارچه ساختمان نسبت بهانواع خاص تکنولوژیهای سلول خورشیدی، دارای

چندین روش ساخت و انواع اشکال مختلف میباشد که میتواند بر پایه سیلیکون کریستالی یا تین

فیلم باشد.

BIPVمیتواند شامل نما، سﻘف، پنجره، دیوار و بسیاری وسایل دیگر که با ماده فتوولتاییک

ترکیب شدهاند باشد. در صورتیکه پول بیشتری دارید و میخواهید فتوولتاییک را با عناصر

مختلف خانه خود ترکیب کنید، به دنبالBIPVبروید،که البتهبسیار هزینه بر است.

نحوه تبدیل سیلیکون به سلول خورشیدی

سیلیکوندر صورتی که کری ستالی با شد برخی خ صو صیات شیمیایی ویژه و منح صربهفرد

دارد. یک اتم سیلیکون14الکتروندارد که در سهپوسته مختلف مرتب شدهاند دو لایه اول که دو

و هشت الکترون دارند کاملا پر هستند لایه یا پوسته بیرونی تنها نیمی از ظرفیتش با چهار

دهالکترون پر شت تا لایه آخر خود را کامل کند ویلیکون همواره به دنبال راهی است اتم ساس

برای انجام این کار الکترونهای خود را با چهار اتم کناری اش به اشتراک میگذارد.

شیوه ساخت سلولهای خورشیدی )فتوولتاییک(

سلولهای فتو ولتاییکاز مواد ویژهشده ساخته ایاند که آنها راsemiconductorیا

نیمه ر سانا مینامیم از این مواد میتوان بهسیلیکونا شاره کرد که اکنون ب سیار پرکاربرد ا ست در

اصل هنگامی که نور با سلول برخورد میکند مﻘدار م شخ صی از آن تو سط موادنیمه ر ساناجذب

میشود این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتﻘلمیشود انرژی به الکترونهای

سست ضربه میزند و اجازه میدهد که آنها آزاد شده و به گردش در آیند.سلولهای فتوولتاییک

دارای یک میدان الکتریکی ه ستند که به عنوان یک اجبار برای الکترونشده تو سط نور های آزاد

جذب شده عمل میکند و آنها را در جهت معینی به جریان میاندازد این گردش الکترونها یک

جریان ایجاد میالکند و با قرار دادن اتصلول فتو ولتاییک میهای فلزی در پایین و بالای ستواند

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 میشودقدرت یا ولتاژ تولیدی توسطیک سلول خورشیدی را تعریف میکنند.

اتلاف انرژی در یک سلول خورشیدی

نور مریی تنها بخشی از طیفالکترومغناطیساستو هم چنین میدانیم کهتشعشع

الکترومغناطیس تک رنگ نی ست و از دامنهای از طولموجهایمختلف ت شکیل شده و در نتیجه

طوح انرژی متفاوتی دارسد.نور را هم میتوان به طول موجهای گوناگونی تجزیه کرد که ما آن را

بهشکلرنگین کمانمیبینیم از آنجایی که سلول ما توسط فوتونهایی با دامنه انرژیهای

متفاوت مورد ا صابت قرار میگیرد لذا برخی از آنها انرژی لازم برای شک ست پیوندالکترونحفره

را ندارند.آنلول میادگی از درون سها به سفاف عبوره شیشت انگار که از یک شگذرند درس

کردهاند در حالی که برخی دیگر از فوتونها انرژی بسیار زیادی دارند تنها میزان مشخصی از انرژی

که باالکترون ولتاندازهگیری شده میتواند بر الکترونهای اتمهای سیلیکون سلولخورشیدی ما

اثرگذارد اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم دا شته با شد پس انرژی ا ضافی هدر میرود مگر این

کهفوتونته و بتواند بهانرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشطور همزماندوالکترونرا رها کند که

این هم چندان زیاد نی ست که معنیصورت ا ست که تﻘریبا شود. به این دار مح سوب70در صد

یانرژی تابشلول ما در واقع تلف میط سدریافتی توسود و کارایی نداردش.یکی دیگر از دلایل

اتلاف انرژی در سلول خورشیدی و عدم بازده حداکثری، بازترکیب است.

چگونگی تامین انرژی خانه با سلول خورشیدی

تمامی پشت بامها جهت مناسب یا زاویه و شیب لازمبرای استفاده کامل ازنور خورشیدرا

تمیسندارند سهایفوتو ولتاییکید را ندارد باید در جهتثابت که امکان رهگیری نور خورش

مناسبی نصب شوند که بیشترین مدت روز و بیشترین مدت سال از نور مستﻘیمخورشیدبهرهمند

شوند هنگام نصب این نکته هم باید در نظر گرفته شود که شما میخواهید حداکثربرقرا در صبح

تولید کنید یا هنگام عصر آن را در اختیار داشته باشید از خانه در زمستان بیشتر استفاده میشود

یا تابستان وپنلهانباید توسط سایه درختان اطراف خانه یاخانههای همسایهها پوشانده شوند.اگر

پ شت بام شما در جهت منا سبی قرار ندارد اکنون لازم ا ست دربارهیاندازه سی ستم انتخابیتان

ت صمیمگیریکنید. مثلا اینکه تولیدالکتری سیتهب ستگی به آب و هوا هم دارد که ا صلا نمیتوان

آن را پیشبینی کرد. یا اینکه میزان مصرفالکتریسیتهشما کاملا متغیر است خوشبختانه

اطلاعات هواشناسی به ما امکان سنجش میزان تابش ماهیانه خورشید را میدهند دیگر فاکتورهای

مهم چون روز های بارانی ابری و میزان رطو بت را هم برای مان پیشبینی میبا ید کن ند ش ما

سیستم را بر اساس بدترین ماه طراحی کنید پس از آن در تمام سال انرژی کافی و حتی اضافی در

اختیار خواهید دا شت با در اختیار دا شتن این اطلاعات و دان ستن میانگین نیاز خانهتان به راحتی

میتوانید محا سبه کنید که به چه تعدادماژولفوتو ولتاییکنیاز دارید همچنین باید در خ صوص

ولتاژ سیستم هم از همان ابتدا تصمیمگیری کنید این چیزی است که با تعداد ماژولی که به

صورت سری بهیکدیگر متصل میشوند کنترل میشود.