مقاله جامع آشنایی با انواع سلول خورشیدی

در دنیای امروز، انرژی تجدیدپذیر به‌ عنوان یکی از راه‌ حل‌ های مهم برای مقابله با چالش ‌های زیست ‌محیطی و کاهش وابستگی به سوخت‌ های فسیلی مطرح است. در این میان، انرژی خورشیدی به ‌عنوان یکی از پاک ‌ترین و پرکاربردترین منابع انرژی تجدیدپذیر شناخته می ‌شود. سلول ‌های خورشیدی، که قلب و مغز این فناوری به ‌شمار می ‌روند، نقش محوری در تبدیل انرژی خورشیدی به برق ایفا می ‌کنند. تاریخچه توسعه انواع سلول ‌های خورشیدی به اوایل قرن بیستم باز می‌ گردد. 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 یافته ‌اند که هر کدام ویژگی ‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.
سلول‌ های خورشیدی را می ‌توان به سه نسل طبقه‌ بندی کرد که هر نسل ویژگی ‌های خاص خود را دارد. نسل اول سلول‌ های خورشیدی بر مبنای ویفر شامل سلول­های سیلیکونی تک­ کریستال، چند‌­کریستال و گالیوم آرسناید است. سلول­های سیلیکونی از جمله رایج ‌ترین و پرکاربردترین انواع سلول‌­های خورشیدی به ‌شمار می ‌روند. بازده این سلول­ها از نظر تئوری ۲۹ درصد است که در مقیاس صنعتی تا حدود ۲۵ درصد عملی شده است، اما هزینه‌ تولید آنها نیز بالاست. نسل دوم سلول‌ های خورشیدی لایه نازک با استفاده از مواد نیمه ‌هادی نازک مانند سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید و مس ایندیوم گالیوم سلنید ساخته می‌ شوند. این سلول ‌ها در مقایسه با سلول ‌های سیلیکونی، بازده کمتری دارند اما هزینه‌ تولید آنها پایین ‌تر است.
نسل سوم سلول‌های خورشیدی شامل سلول‌های ارگانیک و پروسکایتی و موارد متعدد دیگر معرفی شده ‌اند که با بهبود بازده و کاهش هزینه ‌ها در حال توسعه هستند. سلول‌ های خورشیدی ارگانیک از مواد آلی و پلیمرها ساخته می ‌شوند و هرچند بازده آن‌ها پایین‌تر است، اما انعطاف‌پذیری و سبکی آنها مزیت ‌های قابل ‌توجهی برای برخی کاربردها به ‌شمار می ‌روند. سلول ‌های خورشیدی پروسکایتی در سال ‌های اخیر به ‌عنوان یک گزینه امیدوارکننده معرفی شده ‌اند. این سلول ‌ها از مواد پروسکایتی با ساختار کریستالی خاص ساخته می ‌شوند. همچنین، هزینه‌ تولید آن‌ها نسبتاً پایین است که آنها را به یک گزینه جذاب برای کاربردهای گسترده تبدیل کرده است.
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 سیلیکونی

سلول‌ های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون، اولین نسل از فناوری فتوولتائیک بودند که با استفاده از اطلاعات پردازش و مواد خام ارائه شده توسط صنعت میکروالکترونیک وارد بازار شدند. سلول‌ های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون اکنون بیش از ۸۰% از ظرفیت نصب شده جهانی را تشکیل می‌ دهند و سهم بزرگی از بازار را در اختیار دارند. به دلیل بازده نسبتاً بالای آنها، این سلول ‌ها رایج‌ ترین سلول‌ های مورد استفاده هستند.
نسل اول سلول‌ های فتوولتائیک شامل مواد مبتنی بر لایه ‌های ضخیم کریستالی متشکل از سیلیکون Si است. این نسل بر پایه سیلیکون مونوکریستال، پلی کریستال (چند کریستال)، و همچنین گالیم-آرسناید است.

ویژگی سلول های فتوولتائیک نسل اول

• سلول های خورشیدی با پایه سیلیکون تک کریستالی (m-si)

راندمان: ۱۵% الی ۲۴%
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 کریستالی (p-si)

راندمان: ۱۰% الی ۱۸%
طول عمر: ۱۴ سال
مزایا: روش تولید ساده، حاشیه سود بالا، کاهش ضایعات سیلیکون، جذب بالاتر در مقایسه با پلی کریستال
محدودیت ها: راندمان کمتر، حساسیت دمایی بالاتر

• سلول های خورشیدی مبتنی بر GaAs

           راندمان: ۲۸% الی ۳۲%      
           طول عمر: ۱۸ سال
           مزایا: پایداری بالا، حساسیت دمایی کمتر، جذب نور بهتر از m-si، راندمان بالا
​           محدودیت ها: فوق العاده گران قیمت است

روش کلی ساخت سلول خورشیدی نسل اول

همانطور که در مقاله ساختار سلول خورشیدی گفته شد، نسل اول سلول ‌های فتوولتائیک، مبتنی بر اتصال p-n و عمدتاً با پایه ویفر تک یا چند کریستالی هستند. روش ساخت سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال، شامل رشد بلورهای پلی سیلیکون از دانه های سیلیکونی مونوکریستالی کوچک و تشکیل شمش های سیلیکونی می باشد که با استفاده از فرآیند Czochralski انجام می شود.
سپس برش این شمش ها برای ایجاد ویفرهای سیلیکونی مونوکریستال با ضخامتی در حدود کمتر از ۱۸۰ میکرون و درنهایت تولید سلول با استفاده از این ویفرهای بسیار نازک، مراحل بعدی تولید سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال را تشکیل می دهند. مواد مونوکریستال به دلیل کارایی بالاتر در مقایسه با مواد چند کریستالی، به طور گسترده تری مورد استفاده قرار می گیرند. چالش‌ های کلیدی تکنولوژیکی مرتبط با سیلیکون مونوکریستال شامل الزامات سختگیرانه برای خلوص مواد، مصرف بالای مواد در طول تولید سلول، فرآیندهای تولید سلول، و اندازه ‌های محدود ماژل متشکل از این سلول‌ها است.

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

شمش های سیلیکون چند‌بلوری (پلی کریستال) از طریق ذوب سیلیکون با خلوص بالا و بلوری کردن یا همان کریستالیزاسیون آن در یک بوته بزرگ به روش انجماد جهت ‌دار تولید می ‌شوند. در این فرآیند دانه کریستال مرجع برای جهت گیری و تشکیل کریستال که در فرآیند Czochralski وجود داشت، وجود ندارد، در نتیجه، کریستال های متعدد سیلیکونی با جهت‌ گیری ‌های مختلف تولید می ‌شوند.یکی از مواد پایه برای سلول‌ های خورشیدی، پلی سیلیکون نوع p دوپینگ شده با عنصر بور است. امروزه پلی سیلیکون نوع n دوپینگ شده با عنصر فسفر برای ساخت سلول‌ های خورشیدی با بازده بالاتر استفاده می ‌شوند و رایج تر می باشند. اما با چالش ‌های فنی بیشتری در مقایسه با تولید لایه پلی سیلیکون نوع p، مانند دستیابی به دوپینگ یکنواخت در طول بلوک سیلیکون، رو به رو هستند.
در تولید سلول‌ های خورشیدی بلوری، حداقل شش مرحله متوالی باید انجام شود. این مراحل شامل دوپینگ یا تزریق ناخالصی برای ایجاد نیمه هادی P-Type یا N-Type، دیفیوژن، حذف اکسید، زبرسازی بافت سطحی سلول برای کاهش بازتاب نور از آن، پوشش ضدانعکاس، قراردادن باس بار و فینگرها برای جمع آوری جریان و ... است.
در پایان فرآیند، بازده سلول و سایر پارامترهای آن اندازه‌گیری می ‌شوند. بازده سلول‌ های فتوولتائیک وابسته به کیفیت مواد مورد استفاده و دقت در فرآیندهای ساخت آنها می باشد. 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 سلول ‌های خورشیدی سیلیکونی، بازده آنها از ۶% در سال های ابتدایی تا رکورد کنونی که برابر با ۲۶.۱%، به میزان ۲۰.۱% 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 نو ترکیبی است.

نسل دوم: سلول‌ خورشیدی لایه نازک

سلول‌ های فتوولتائیک فیلم نازک از مواد نیمه‌ هادی نازک مانند سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید (CdTe) و مس ایندیوم گالیوم سلنید  (CIGS)ساخته شده اند تا جایگزین ارزان ‌تری برای سلول ‌های سیلیکون بلوری باشند.
سلول ‌های خورشیدی نازک خواص مکانیکی بهبودیافته ‌ای را که برای کاربردهای انعطاف‌ پذیر ایده ‌آل هستند، ارائه می ‌دهند، اما این امر با مساله کاهش بازده همراه است. در حالی که نسل اول سلول ‌های خورشیدی نمونه ‌ای مشتق شده از دنیای میکروالکترونیک است، تکامل فیلم‌ های نازک نیازمند روش ‌های جدید رشد از جمله ورود به سایر حوزه ‌ها از جمله الکتروشیمی است.

ویژگی سلول‌های 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؛
محدودیت ‌ها: بازده پایین‌، دشواری در انتخاب مواد دوپینگ، 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 دوپینگ لایه ها، هیدروژن مورد نیاز است، که منجر به سیلیکون آمورف هیدروژن‌دار (a-Si:H) می ‌شود. به طور معمول از تکنیک رسوب فاز گازی برای تشکیل سلول‌های 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؛
            محدودیت ‌ها: بازده پایین‌، کادمیوم بسیار سمی، مقدار Te محدود، حساسیت بیشتر به دما.
سلول های خورشیدی مبتنی بر CdTe نیز جزء سلول ‌های فتوولتائیک نسل دوم به شمار می ‌روند. 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 زمان ‌بر 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 فتوولتائیک CdTe شفافیت آنهاست. شفافیت این سلول ها از حدود ۱۰% تا ۵۰% متغیر است، هرچند که افزایش شفافیت، باعث کاهش بازده می‌ شود. با این حال، پنل ‌های شفاف می‌ توانند به جای شیشه پنجره در ساختمان ‌ها جایگزین شوند و نه تنها بخشی از برق مورد نیاز ساختمان را تولید کنند، بلکه به کاهش صدا و عایق ‌بندی حرارتی نیز کمک کنند، زیرا اکثر سلول ها در شیشه دوجداره قرار دارند.

• 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؛
محدودیت‌ ها: بسیار گران ‌قیمت، پایدار نیست، حساسیت بیشتر به دما، بسیار غیرقابل اعتماد
در دنیای تولید سلول خورشیدی، یک جنبه کلیدی که نیاز به بهبود داشت، کاهش وابستگی شدید به منابع مواد نیمه ‌هادی بود. این نیرو محرکه ای بود که به ظهور نسل دوم سلول‌ های فتوولتائیک فیلم نازک از جمله CIGS منجر شد. از نظر بازده، رکورد CIGS 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 چالش‌ های فرآیندهای مقیاس بزرگ است.با این حال، واقعیت این است که امروزه بازده ماژول ‌های CIGS در صنعت به حدود ۲۰% رسیده است. این دستاورد شگفت ‌انگیز نشان می ‌دهد که صنعت توانسته است به تدریج موانع مقیاس ‌پذیری را پشت سر بگذارد. در سال ‌های 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 می ‌دهد که سلول‌های خورشیدی CIGS می ‌توانند 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 سلول ‌های خورشیدی (شامل سلول ‌های tandem، پروسکایتی، حساس شده با رنگ، آلی و مفاهیم نوظهور) طیف گسترده ‌ای از رویکردها را، از سیستم ‌های ارزان با بازده پایین (سلول های حساس به رنگ، آلی) تا سیستم‌ های گران ‌قیمت با بازده بالا (سلول ‌های مولتی جانکشن III-V) برای کاربردهای ساختمانی تا کاربردهای فضایی نمایان می ‌سازند. سلول ‌های فتوولتائیک نسل سوم گاهی اوقات به دلیل نفوذ ضعیف آنها در بازار، با عنوان "مفاهیم نوظهور" شناخته می ‌شوند. اگرچه برخی از این‌ انواع سلول خورشیدی بیش از ۲۵ سال است که مورد مطالعه قرار گرفته ‌اند.پیشرفته ‌ترین مطالعات در زمینه فناوری تولید و بهبود بازده، اکنون متمرکز بر سلول ‌های خورشیدی نسل سوم است. یکی از روش ‌های 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)

• سلول‌ خورشیدی ارگانیک

            راندمان: ۱۹.۲%
            مزایا: هزینه پردازش کم، وزن سبک تر، انعطاف پذیری، پایداری حرارتی.
             محدودیت ها: راندمان پایین.
این نوع سلول ‌های خورشیدی، به جای استفاده از مواد معدنی مثل سیلیکون از مواد آلی و کربن‌دار ساخته می ‌شوند. در این سلول‌ها، از پلیمرهای رسانا و مولکول‌ های آلی به عنوان مواد فعال استفاده می‌ شود. 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 نیمه‌هادی ‌های آلی بهره می ‌برد. وزن سبک، هزینه‌ های ساخت پایین، انعطاف ‌پذیری، نیمه‌ شفافیت و قابلیت استفاده از پردازش roll-to-roll در مقیاس بزرگ، این سلول‌ها را به گزینه ‌ای جذاب برای کاربردهای متنوع انرژی خورشیدی تبدیل می‌ کند. این ویژگی‌ها امکان استفاده از OSCs را در طیف گسترده ‌ای 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 می ‌دهد.
با پیشرفت مداوم در بازده و پایداری OSCs، این سلول ‌های خورشیدی آلی می ‌توانند 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 های خورشیدی آلی که تابش نزدیک به مادون قرمز (NIR) را جذب می ‌کنند، در سراسر جهان مورد مطالعه قرار گرفته ‌اند. سلول ‌های خورشیدی آلی جذب‌کننده NIR 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 ‌اند. با پیشرفت تحقیقات در این زمینه، بازده تبدیل انرژی این سلول ‌ها نیز رو به افزایش است. بنابراین سلول‌ های خورشیدی ارگانیک یک گزینه جذاب برای تولید برق خورشیدی در آینده خواهند بود.

• سلول‌ خورشیدی پروسکایت؛ نوآوری انقلابی در انرژی خورشیدی

              راندمان: ۲۶%
              مزایا: ساختار کم هزینه و ساده، وزن سبک، انعطاف پذیری، راندمان بالا، هزینه ساخت کم.
              محدودیت ها: ناپایدار.
            سلول‌های خورشیدی پروسکایت (PSCs) نمایانگر یک مفهوم انقلابی جدید در عرصه فتوولتائیک هستند. این فناوری بر پایه پروسکایت‌ های هالید فلزی (MHPs) استوار است، مانند یدید متیل آمونیوم و یدید سرب فرمامیدین                     (MAPbI3 یا FAPbI3).
MHPs ترکیبی از ویژگی ‌های مطلوب در جذب ‌کننده ‌های فتوولتائیک را در خود ادغام می ‌کنند. این ویژگی ‌ها 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.
این ترکیب منحصر به ‌فرد از ویژگی ‌ها، PSCs را به یک گزینه بسیار جذاب در عرصه انرژی خورشیدی تبدیل کرده است. با پیشرفت مداوم در بازده و پایداری این سلول ‌ها، انتظار می ‌رود که آنها به زودی به یک جایگزین مقرون ‌به ‌صرفه و کارآمد برای فناوری ‌های سنتی انرژی خورشیدی تبدیل شوند. 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. 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 می ‌شوند. این نوآوری انقلابی در انرژی خورشیدی، نوید آینده‌ای روشن و پایدارتر را می ‌دهد که در آن PSCs نقشی محوری ایفا خواهند کرد.

• سلول‌های فتوولتائیک حساس به رنگ

               راندمان: ۶% الی ۱۳%
               مزایا: هزینه کمتر، نور کم و عملکرد مناسب در محدوده زاویه گسترده تر، عملکرد دمای داخلی پایین تر، استحکام و طول عمر بیشتر.
               محدودیت ها: مشکلات پایداری دما، دارای مواد سمی و فرار.
این نوع سلول ‌های خورشیدی یک فناوری نوآورانه و جالب در زمینه انرژی خورشیدی هستند. ایده اصلی آن ‌ها الهام گرفته از فرآیند فتوسنتز در گیاهان است. در شکل زیر نمایشی از سلول‌های فتوولتائیک آلی حساس به رنگ (DSSC) نشان داده شده است.