تاریخچه توسعه انواع سلول خورشیدی به اوایل قرن بیستم باز می‌گردد. در سال ۱۸۳۹، فیزیکدان فرانسوی، ادموند بکرل، پدیده فتوولتائیک را کشف کرد که پایه و اساس عملکرد سلول‌ خورشیدی است. از آن زمان تاکنون، انواع مختلفی از سلول ‌های خورشیدی طراحی و توسعه یافته‌اند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

انواع سلول‌ های خورشیدی را در سه گروه یا سه نسل طبقه‌ بندی می­ کنند، که هر نسل ویژگی­ های خاص خود را دارد. نسل اول سلول‌ های خورشیدی بر مبنای ویفر، شامل سلول­ های سیلیکونی تک­کریستال، چند‌­کریستال و گالیوم آرسناید است. سلول­های سیلیکونی از جمله رایج ‌ترین و پرکاربردترین انواع سلول خورشیدی به ‌شمار می­ روند.

نسل دوم، سلول‌ های خورشیدی لایه نازک هستند که با استفاده از مواد نیمه ‌هادی نازک مانند سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید و مس ایندیوم گالیوم سلنید ساخته می‌­شوند. این سلول ‌ها در مقایسه با سلول ‌های سیلیکونی، بازده کمتری دارند اما هزینه‌ تولید آنها پایین­ تر است.

نسل سوم سلول های خورشیدی شامل سلول‌های ارگانیک و پروسکایتی و موارد متعدد دیگر معرفی شده‌اند که با بهبود بازده و کاهش هزینه‌ها در حال توسعه هستند. انعطاف‌پذیری، وزن کمتر، هزینه تولید پایین و تنوع کاربردها از ویژگی­ های منحصر به فرد این گروه از سلول های خورشیدی به شمار می­ روند.

در این مقاله، به بررسی انواع مختلف سلول‌ خورشیدی و ویژگی ‌های هر یک خواهیم پرداخت. همچنین، به مزایا و چالش‌ های هر نوع سلول خورشیدی اشاره خواهیم کرد. این بررسی جامع می ‌تواند به درک بهتر پتانسیل و آینده انرژی خورشیدی کمک کند.

 

نسل اول سلول‌ خورشیدی: مبتنی بر ویفر

سلول‌ های خورشیدی مبتنی بر ویفر (Wafer-Based Solar Cell)، اولین نسل از فناوری فتوولتائیک بودند که با استفاده از اطلاعات پردازش و مواد خام ارائه شده توسط صنعت میکروالکترونیک وارد بازار شدند. این نسل از سلول‌ های فتوولتائیک شامل مواد مبتنی بر لایه ‌های ضخیم کریستالی به نام ویفر هستند که از عناصری مانند سیلیکون مونوکریستال، پلی کریستال (چند کریستال)، و همچنین گالیم-آرسناید تشکیل می­ شوند.

در بین انواع سلول خورشیدی نسل اول، سلول های سیلیکونی به عنوان رایج‌ترین و پرکاربردترین فناوری، سهم قابل توجهی در بازار جهانی انرژی خورشیدی دارند. این سلول‌ها در حال حاضر بیش از ۸۰ درصد از ظرفیت نصب شده جهانی را تشکیل می‌دهند که نشان‌دهنده اهمیت و مقبولیت بالای آن‌ها در مقایسه با سایر فناوری‌ها است. بازده نسبتاً بالای سلول‌های سیلیکونی، دلیل اصلی گسترش و استفاده فراوان آن‌ها در میان انواع سلول های خورشیدی در سراسر جهان می‌باشد.

انواع سلول های فتوولتائیک نسل اول

• سلول های خورشیدی با پایه سیلیکون مونوکریستال (m-Si)

راندمان: ۱۵% الی۲۴%

طول عمر: ۲۵ سال

مزایا: ثبات، عملکرد بالا، عمر طولانی

محدودیت­ ها: هزینه ساخت بالا، حساسیت دمایی بیشتر، مشکلات جذب نور، از دست دادن کیفیت مواد به مرور زمان

 

• سلول های خورشیدی با پایه سیلیکون پلی کریستال (p-Si)

راندمان: ۱۰% الی۱۸%

طول عمر: ۱۴ سال

مزایا: روش تولید ساده، حاشیه سود بالا، کاهش ضایعات سیلیکون

محدودیت ها: راندمان­ کمتر، حساسیت دمایی بالاتر

 

• سلول های خورشیدی مبتنی بر گالیم-آرسناید (GaAs)

راندمان: ۲۸% الی ۳۲%

طول عمر: ۱۸ سال

مزایا: پایداری بالا، حساسیت دمایی کمتر، جذب نور بهتر از m-Si، راندمان بالا

محدودیت­ها: فوق العاده گران قیمت است.

 

روش ساخت سلول های خورشیدی نسل اول

همانطور که در مقاله ساختار سلول خورشیدی گفته شد، نسل اول سلول‌های فتوولتائیک، عمدتاً از ویفرهای تک‌کریستالی یا چندکریستالی سیلیکون و بر پایه اتصال لایه­های N  و P ساخته می‌شوند. فرآیند ساخت سلول های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال، با رشد بلورهای تک‌کریستالی از دانه های کوچک سیلیکونی آغاز می‌شود. این فرآیند، که با روش Czochralski انجام می‌شود، منجر به شکل‌گیری شمش‌های سیلیکونی می‌گردد.

 

سپس، این شمش‌ها برش داده شده و ویفرهای سیلیکونی مونوکریستالی با ضخامت کمتر از ۱۸۰ میکرون به دست می‌آیند. این ویفرهای نازک، ماده اولیه برای تولید سلول های خورشیدی مونوکریستال هستند.

امروزه، سیلیکون مونوکریستال به دلیل بازده بالاتر نسبت به سیلیکون چندکریستالی، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، چالش‌های تکنولوژیکی مرتبط با این ماده شامل الزامات سختگیرانه برای خلوص، مصرف بالای مواد، پیچیدگی فرآیندهای تولید و محدودیت در اندازه ماژول‌های ساخته شده است.

تصویر زیر در بخش (a) فرآیند Czochralski برای ساخت شمش های مونوکریستال و در قسمت (b) فرآیند انجماد جهت‌دار برای تولید شمش های پلی کریستال را نشان می­ دهد.

در مقابل، شمش‌های سیلیکون پلی‌کریستال از طریق ذوب و بلور شدن سیلیکون با خلوص بالا، با استفاده از روش انجماد جهت‌دار تولید می‌شوند. در این فرآیند، برخلاف روش Czochralski، دانه کریستال مرجع وجود ندارد و در نتیجه، کریستال‌های سیلیکونی با جهت‌گیری‌های مختلف شکل می‌گیرند.

تولید انواع سلول های خورشیدی کریستالی، شامل حداقل شش مرحله متوالی است: تزریق ناخالصی به نیمه هادی برای ایجاد نوع N و P، دیفیوژن، حذف اکسید، زبرسازی سطح برای کاهش بازتاب نور، پوشش ضد انعکاس، و قرار دادن باس‌بار و فینگرها برای جمع‌آوری جریان.

در پایان فرآیند، بازده سلول و سایر پارامترهای آن اندازه‌گیری می‌شود. بازده سلول‌های فتوولتائیک به کیفیت مواد و دقت فرآیندهای ساخت بستگی دارد.

حداکثر بازده تئوری برای سلول‌ های خورشیدی نسل اول حدود ۲۹.۴% برآورد شده است و دستیابی به راندمان نسبتاً نزدیک به این عدد، در حدود دو دهه پیش اتفاق افتاده است.

از زمان ظهور انواع سلول ‌های خورشیدی سیلیکونی، بازده آنها از ۶% در سال های ابتدایی تا رکورد کنونی برابر با ۲۶.۱%، افزایش یافته است. پیشرفت ‌های مهم در تولید این سلول ‌ها شامل معرفی تکنولوژی های TOPCon برای کاهش نرخ بازترکیب و تسهیل انتقال بار در سطح پشتی سلول و همچنین تکنولوژی HJT برای افزایش جذب نور و کاهش بازترکیب است.

 

نسل دوم: سلول‌ خورشیدی لایه نازک

انواع سلول‌ خورشیدی فیلم نازک از مواد نیمه‌ هادی نازک مانند سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید (CdTe) و مس ایندیوم گالیوم سلنید  (CIGS)ساخته شده­اند تا جایگزین ارزان‌تری برای سلول ‌های سیلیکون بلوری باشند.

سلول ‌های خورشیدی نازک، خواص مکانیکی بهبودیافته‌ای را برای کاربردهای انعطاف‌پذیر ارائه می ‌دهند، اما این امر با مساله کاهش بازده همراه است.

در حالی که نسل اول سلول ‌های خورشیدی نمونه‌ای مشتق شده از دنیای میکروالکترونیک است، تکامل فیلم‌ های نازک نیازمند روش­های جدید رشد از جمله ورود به سایر حوزه­‌ها مانند الکتروشیمی است.

 

انوع سلول های فتوولتائیک نسل دوم

• سلول‌ های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون آمورف (a-Si)

بازده: %۵ الی ۱۲%

طول عمر: ۱۵ سال

مزایا: ارزان‌، مواد اولیه در دسترس و فراوان، غیر سمی، ضریب جذب بالا

محدودیت­ها: بازده پایین‌، دشواری در انتخاب مواد آلایش نیمه­هادی، طول عمر پایین حامل اقلیت

 

آخرین نوع سلول ‌های طبقه‌ بندی ‌شده به عنوان نسل دوم، سلول هایی هستند که از سیلیکون آمورف استفاده می ‌کنند. سلول ‌های خورشیدی سیلیکون آمورف (a-Si) به طور قابل توجهی رایج ‌ترین فناوری فیلم نازک هستند.

برخی از انواع سیلیکون آمورف (a-Si) شامل کربید سیلیکون آمورف (a-SiC)، سیلیکون-ژرمانیوم آمورف (a-SiGe)، سیلیکون میکروکریستالی (μ-Si) و نیترید سیلیکون آمورف (a-SiN) هستند. در این تکنولوژی برای آلایش لایه­ها، هیدروژن مورد نیاز است، که منجر به سیلیکون آمورف هیدروژن‌دار (a-Si:H) می­ شود.

به طور معمول از تکنیک رسوب فاز گازی (Gas Phase Deposition Technique) برای تشکیل سلول های فتوولتائیک a-Si با فلز یا گاز به عنوان ماده پایه استفاده می‌شود.

 

• سلول ‌های خورشیدی مبتنی بر کادمیوم تلوراید/کادمیوم سولفید (CdTe/CdS)

بازده: ۱۶ الی ۲۲%

طول عمر: ۲۰ سال

مزایا: نرخ جذب بالا، مقدار کمتر ماده مورد نیاز برای تولید

محدودیت­ها: بازده پایین‌، کادمیوم بسیار سمی، محدودیت مقدار Te موجود، حساسیت بیشتر به دما

 

سلول ‌های خورشیدی مبتنی بر CdTe نیز جزء سلول ‌های فتوولتائیک نسل دوم به شمار می‌روند. به دلیل بازده طیفی بالای آن، ضخامت لایه جذب‌کننده می‌تواند بدون افت قابل توجه در بازده، به حدود ۱ میکرومتر کاهش یابد، هرچند که این فرآیند زمان‌بر خواهد بود.

این سلول ‌های فوق ‌نازک به ویژه برای کاربردهای انعطاف ‌پذیر، مثل فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان (BIPV)، به دلیل وزن کمتر آنها، بسیار جذاب هستند.

یکی دیگر از ویژگی های سلول های خورشیدی CdTe شفافیت آنهاست. شفافیت این سلول ها از حدود ۱۰% تا ۵۰% متغیر است، هرچند که افزایش شفافیت، باعث کاهش بازده می‌شود. با این حال، پنل ‌های شفاف می‌توانند به جای شیشه پنجره در ساختمان‌ها جایگزین شوند و نه تنها بخشی از برق مورد نیاز ساختمان را تولید کنند، بلکه در کاهش صدا و عایق‌بندی حرارتی نیز موثر باشند، زیرا اکثر سلول­ ها در شیشه دوجداره قرار می ­گیرند.

 

• سلول‌ های خورشیدی مبتنی بر مس اندیوم گالیوم سلنید (CIGS)

بازده: ۱۹ الی ۲۳%

طول عمر: ۱۲ سال

مزایا: مقدار کمتر ماده مورد نیاز برای تولید

محدودیت‌ها: بسیار گران ‌قیمت، عدم پایداری، حساسیت بیشتر به دما، بسیار غیرقابل اعتماد

 

در دنیای تولید انواع سلول خورشیدی، یک جنبه کلیدی که نیاز به بهبود داشت، کاهش وابستگی شدید به منابع مواد نیمه ‌هادی بود. این موضوع، نیرو محرک ه­ای بود که به ظهور نسل دوم سلول‌ های فتوولتائیک فیلم نازک از جمله CIGS منجر شد. از نظر بازده، رکوردCIGS  برابر با ۲۳.۴% است که با بهترین بازده سلول ‌های سیلیکونی قابل مقایسه است.

اگرچه بازده سلول‌ های خورشیدی CIGS در محیط تحقیقاتی بسیار امیدوارکننده است، اما باید توجه داشت که این بازده لزوماً به معنی بازده قابل دستیابی در مقیاس صنعتی نیست. این تفاوت ناشی از چالش‌های فرآیندهای مقیاس بزرگ است.

با این حال، واقعیت این است که امروزه بازده ماژول ‌های خورشیدی CIGS در صنعت به حدود ۲۰% رسیده است. این دستاورد شگفت ‌انگیز نشان می­دهد که صنعت توانسته است به تدریج موانع مقیاس ‌پذیری را برای تولید انواع سلول خورشیدی پشت سر بگذارد.

در سال­های اخیر، شاهد افزایش چشمگیری در بازده این سلول‌ ها بوده‌ایم و انتظار می ‌رود که این روند بهبود همچنان ادامه یابد. این پیشرفت‌ ها امیدوارکننده است و نشان می‌دهد که سلول های خورشیدی CIGS می­توانند به یک گزینه جذاب و رقابتی در صنعت انرژی خورشیدی تبدیل شوند.

 

نسل سوم: سلول خورشیدی نوع تاندم، پروسکایت، سنتز شده با رنگ، ارگانیک و مفاهیم نوظهور

نسل سوم از فناوری فتوولتائیک، خود شامل انواع سلول ‌های خورشیدی (مانند سلول ‌های tandem، پروسکایتی، حساس شده با رنگ، آلی و مفاهیم نوظهور) می­ شود، به صورتی که طیف گسترده ‌ای از رویکردها را، از سیستم‌های ارزان با بازده پایین (سلول‌ های حساس به رنگ، آلی) تا سیستم‌های گران ‌قیمت با بازده بالا (سلول ‌های مولتی جانکشن III-V) برای کاربردهای ساختمانی تا کاربردهای فضایی نمایان می­سازند.

سلول ‌های فتوولتائیک نسل سوم گاهی اوقات به دلیل نفوذ ضعیف آنها در بازار، با عنوان “مفاهیم نوظهور” شناخته می‌شوند. اگرچه برخی از این‌ انواع سلول خورشیدی بیش از ۲۵ سال است که مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

پیشرفته‌ترین مطالعات در زمینه فناوری تولید و بهبود بازده، اکنون متمرکز بر سلول ‌های خورشیدی نسل سوم است. یکی از روش‌های فعلی برای افزایش بازده سلول ‌های فتوولتائیک، ایجاد سطوح انرژی اضافی در شکاف انرژی نیمه ‌هادی (IPV) و استفاده فزاینده از کاشت یونی در فرآیند تولید است. سایر سلول‌ های نوآورانه نسل سوم که فناوری ‌های تجاری کم‌ شناخته “نوظهور” هستند عبارتند از:

– سلول ‌های فتوولتائیک مواد آلی یا ارگانیک (OSC)

– سلول‌ های فتوولتائیک پروسکایتی (PSC)

– سلول‌ های فتوولتائیک حساس شده با رنگ (DSSC)

– سلول ‌های فتوولتائیک چنداتصالی (Multi-junction)

– سلول ‌های فتوولتائیک نقطه ‌کوانتومی (QD)

در ادامه به معرفی هر یک از این سلول های خورشیدی نسل سوم می­ پردازیم:

 

سلول‌ خورشیدی ارگانیک

راندمان: ۱۹.۲%

مزایا: هزینه پردازش کم، وزن سبک­تر، انعطاف پذیری، پایداری حرارتی

محدودیت ها: راندمان پایین

در بین انواع سلول خورشیدی، این نوع به جای استفاده از مواد معدنی مثل سیلیکون از مواد آلی و کربن‌دار ساخته می­شوند. در این سلول‌ها، از پلیمرهای رسانا و مولکول‌ های آلی به عنوان مواد فعال استفاده می‌شود. این مواد، نور خورشید را جذب کرده و الکترون آزاد‌ تولید می­ کنند.

سلول‌های خورشیدی آلی (OSCs) نوید امیدوارکننده‌ای برای آینده انرژی خورشیدی هستند. این فناوری نوآورانه از مزایای منحصربه ‌فرد نیمه هادی ‌های آلی بهره می‌برد. وزن سبک، هزینه‌های ساخت پایین، انعطاف­پذیری، نیمه‌ شفافیت و قابلیت استفاده از پردازش roll-to-roll در مقیاس بزرگ، این سلول‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای کاربردهای متنوع انرژی خورشیدی تبدیل می‌کند.

این ویژگی‌ها امکان استفاده از OSCs را در طیف گسترده‌ای از برنامه ‌ها فراهم می‌سازد – از پوشش ‌های خورشیدی ساختمان ‌ها گرفته تا دستگاه ‌های الکترونیکی قابل حمل. این تنوع کاربرد، پتانسیل بالقوه این فناوری را در انقلاب انرژی پاک نشان می‌دهد.

همچنین، سلول‌ های خورشیدی آلی که تابش نزدیک به مادون قرمز (NIR) را جذب می­کنند، در سراسر جهان مورد مطالعه قرار گرفته­اند. همچنین این فناوری توجه را به عنوان تجهیزات پیشرفته در دستگاه‌ های اپتوالکترونیکی نسل بعدی، مانند سلول ‌های خورشیدی نیمه ‌شفاف و آشکارسازهای NIR، به دلیل پتانسیل آن‌ها برای کاربردهای صنعتی جلب کرده است.

با پیشرفت مداوم در بازده و پایداری OSCs، انواع سلول خورشیدی آلی می‌توانند به یک جایگزین مقرون ‌به‌ صرفه و کارآمد برای فناوری ‌های سنتی انرژی خورشیدی تبدیل شوند. آینده روشن این فناوری نوید دستیابی به آینده ‌ای پایدارتر و سبزتر را می‌دهد.

 

سلول‌ خورشیدی پروسکایت

راندمان: ۲۶%

مزایا: ساختار کم هزینه و ساده، وزن سبک، انعطاف پذیری، راندمان بالا، هزینه ساخت کم.

محدودیت ها: ناپایدار

 

در بین انواع سلول خورشیدی، سلول های پروسکایت (PSCs) نمایانگر یک مفهوم انقلابی جدید هستند. این فناوری بر پایه پروسکایت‌ های هالید فلزی (MHPs) استوار است، مانند یدید متیل آمونیوم و یدید سرب فرمامیدین (MAPbI3 یا FAPbI3). به عبارت ساده تر، این نوع سلول ‌های خورشیدی از مواد پروسکایتی به عنوان ماده فعال استفاده می‌ کنند. مواد پروسکایتی ترکیبات کریستالی با ساختار مکعبی هستند که می ‌توانند نور را به خوبی جذب و الکترون ‌های آزاد تولید کنند.

MHPs ترکیبی از ویژگی­های مطلوب در انواع سلول های خورشیدی را در خود ادغام می‌کنند. این ویژگی­ها شامل باند انرژی مستقیم با ضریب جذب بالا، عمر حامل و طول پخش طولانی، چگالی نقص پایین و امکان تنظیم ترکیبات و باند انرژی است. مزیت اصلی سلول ‌های پروسکایتی، بازده تبدیل انرژی بالا و هزینه ساخت پایین است. همچنین این سلول‌ ها از مواد ارزان ‌قیمت و ساده ساخته می‌شوند.

این ترکیب منحصر به ‌فرد از ویژگی‌ها، PSCs را به یک گزینه بسیار جذاب در عرصه انرژی خورشیدی تبدیل کرده است. با پیشرفت مداوم در بازده و پایداری این سلول­ها، انتظار می­رود که آنها به زودی به یک جایگزین مقرون ‌به ‌صرفه و کارآمد برای فناوری ‌های سنتی انرژی خورشیدی تبدیل شوند.

 

سلول فتوولتائیک حساس به رنگ

راندمان: ۶ الی ۱۳%

مزایا: هزینه کمتر، نور کم و عملکرد مناسب در محدوده زاویه گسترده تر، دمای عملکرد پایین­تر، استحکام و طول عمر بیشتر

محدودیت ها: مشکلات پایداری دما، دارای مواد سمی و فرار

 

این تکنولوژی یک فناوری نوآورانه و جالب در بین انواع سلول خورشیدی هستند. ایده اصلی آنها الهام گرفته از فرآیند فتوسنتز در گیاهان است. در شکل زیر نمایشی از سلول های فتوولتائیک آلی حساس به رنگ (DSSC) نشان داده شده است.

در واقع سلول ‌های خورشیدی حساس شده با رنگ (DSSCs) یکی از بهترین مواد نانوتکنولوژی برای استحصال انرژی در فناوری ‌های فتوولتائیک هستند. این ساختار هیبریدی آلی-غیرآلی شامل یک لایه نانوکریستالی متخلخل از دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2) به عنوان هادی الکترون در تماس با محلول الکترولیت حاوی رنگ‌های آلی است.

به عبارتی دیگر در این سلول‌ ها، به جای استفاده از مواد نیمه ‌هادی معمولی مانند سیلیکون، از یک ماده نیمه‌ هادی متخلخل (معمولاً دی اکسید تیتانیوم) استفاده می‌شود. روی این ماده نیمه ‌هادی، یک لایه نازک از رنگ‌ های طبیعی یا مصنوعی پوشانده می­ شود.

این رنگ‌ها وظیفه جذب نور خورشید و تولید الکترون ‌های آزاد را بر عهده دارند. الکترون‌های آزاد شده توسط لایه نیمه ‌هادی جمع‌آوری و به سمت الکترودها هدایت می­شوند.

مزیت اصلی این سلول‌ها در مقایسه با انواع سلول‌ خورشیدی سیلیکونی، هزینه ساخت پایین‌تر و امکان استفاده از مواد ارزان‌تر است. همچنین این سلول‌ ها انعطاف ‌پذیری بیشتری داشته و می توانند در انواع مختلف طراحی‌ها استفاده شوند.

چالش‌های اصلی تجاری­ سازی این گروه، بازده پایین و پایداری سلول می باشد. بیشترین بازده تئوری آن ۳۲%، اما بالاترین بازده عملی گزارش شده ۱۳% بوده است. تلاش‌ها برای بهبود بازده از طریق بهینه‌ سازی اکسایش-کاهش، قابلیت جذب رنگ و بهبود الکترودها ادامه دارد.

 

سلول‌ های خورشیدی چند اتصالی (HJT)

راندمان: ۳۰% و بالاتر

مزایا: عملکرد بالا

محدودیت ها: پیچیده، گران

 

تصور کنید یک سلول خورشیدی مثل یک کیک است. در انواع سلول ‌های خورشیدی معمولی، این کیک تنها از یک لایه نازک سیلیکون ساخته شده است. اما در سلول ‌های خورشیدی چند اتصالی، این کیک از چندین لایه مواد متفاوت تشکیل شده است. در واقع این سلول‌ ها از چندین لایه نیمه ‌هادی با باند انرژی متفاوت ساخته می­ شوند و بنابراین قادر به جذب طیف گسترده ‌تری از نور خورشید هستند و بازده انرژی بالاتری دارند.

هر لایه در این سلول‌ها وظیفه خاصی را انجام می‌ دهد. برخی لایه ­ها نور را جذب می­کنند، برخی دیگر الکترون ‌ها و حفره‌ ها را به سمت الکترودها هدایت می‌کنند و برخی نیز به عنوان پوسته محافظ عمل می­کنند.

به عبارتی دیگر، این ساختار چندلایه باعث می ‌شود که سلول‌ های چنداتصالی بازده تبدیل بالاتری نسبت به سلول‌ های تک لایه داشته باشند. زیرا هر لایه می ‌تواند نور را به بهترین شکل جذب و الکترون‌ها را به سمت الکترودها هدایت کند.

 

به همین دلیل، سلول ‌های خورشیدی هتروجانکشن (چنداتصالی) یک گزینه بسیار جذاب برای تولید برق خورشیدی با بازده بالا هستند. با پیشرفت تکنولوژی، این سلول ‌ها در آینده جایگزین مناسبی برای سلول ‌های خورشیدی سیلیکونی خواهند بود.

 

سلول‌ فتوولتائیک نقطه ‌کوانتومی

راندمان: ۱۱ الی ۱۹%

مزایا: هزینه تولید کم، مصرف انرژی کم

محدودیت ها: سمیت بالا در طبیعت، ضریب تخریب یا degradation بالا

 

سلول ‌های خورشیدی نقطه کوانتومی (Quantum Dots Solar Cells) یک فناوری نوظهور در زمینه انرژی خورشیدی هستند. این سلول‌ها از مواد نیمه ‌هادی نانوکریستالی به نام “نقطه ‌های کوانتومی” ساخته می‌شوند.

نقطه­ های کوانتومی ذرات بسیار کوچکی هستند که الکترون‌ ها و حفره ‌های آنها در فضای محدودی محصور می­ شوند. این محصور شدن باعث می‌شود که انرژی الکترون‌ها و حفره‌ها در سطوح گسسته و مجزا (به جای سطوح پیوسته در مواد معمولی) قرار گیرد.

این ویژگی منحصر به ‌فرد نقطه ‌های کوانتومی امکان تنظیم خواص الکترونی و نوری آنها را فراهم می­کند. به‌ طوری ‌که می‌توان با تغییر اندازه نقطه ‌های کوانتومی، طیف جذب نور و باند انرژی آنها را کنترل کرد.

این قابلیت تنظیم پذیری، سلول ‌های نقطه کوانتومی را به فناوری محبوبی در بین انواع سلول خورشیدی تبدیل کرده است. با بهبود مستمر در بازده و هزینه‌ های تولید، این فناوری می‌تواند در آینده جایگزین مناسبی برای سلول‌ های خورشیدی سیلیکونی فراهم کند.

 

 

پیشرفت انواع سلول های خورشیدی در یک نگاه

در جدول زیر، مهم­ترین پیشرفت های سلول خورشیدی از سال ۱۹۵۴ تا ۲۰۲۶ را مشاهده می­کنید:

بازه زمانی / سال	تغییرات فناوری فتوولتائیک	شرح
۱۹۵۴	نخستین سلول سیلیکونی عملی	ساخت سلول خورشیدی سیلیکونی در آزمایشگاه بل با راندمان حدود ۴-۶% و آغاز فتوولتائیک مدرن
اواخر دهه ۱۹۵۰ – ۱۹۶۰	کاربرد فضایی سلول­ها	افزایش راندمان تا حدود ۹-%۱۴ و استفاده در ماهواره­ها و سامانه­های فضایی
دهه ۱۹۷۰ – ۱۹۸۰	سیلیکون پلی کریستال و کاربرد زمینی	توسعه سلول های پلی کریستال ارزان­تر و اغاز بهره برداری زمینی در انواع متصل و مستقل از شبکه
دهه ۱۹۸۰ – ۱۹۹۰	فیلم نازک (CIGS, CdTe, …)	رشد فناوری فیلم نازک برای کاهش مصرف ماده و امکان تولید در مقیاس بالا با راندمان کمتر از سیلیکون تک بلور
دهه ۱۹۹۰ – ۲۰۰۰	سلول های چند اتصالی	توسعه انواع سلول خورشیدی multi-junction به ویژه برای کاربردهای فضایی، دستیابی به راندمان آزمایشگاهی بالای ۳۰%
دهه ۲۰۰۰ – ۲۰۱۰	کاهش شدید هزینه تولید و نصب پنل های خورشیدی	افت قابل توجه قیمت هر وات به دلیل تولید انبوه جهانی، تبدیل PV به فناوری رقابتی در تولید برق
دهه ۲۰۱۰	افزایش راندمان تجاری و پنل های دوطرفه	دستیابی ماژول های سیلیکونی تجاری به راندمان حدود ۲۰% و گسترش پنل های bifacial و بهبود فرآیند ساخت
از حدود ۲۰۱۲ به بعد	ظهور سلول های پروسکایتی	رشد سریع راندمان آزمایشگاهی پرووسکایت (بیش از ۲۵%) و تلاش برای سلول های هیبریدی سیلیکون-پرووسکایت
دهه ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۶	تمرکز بر راندمان، پایداری و یکپارچه سازی	بهبود راندمان و پایداری فناوری های نو، توسعه انواع پنل های خورشیدی سبک و انعطاف پذیر و یکپارچه سازی با ذخیره ساز و شبکه هوشمند