شاید در گذشتهای نه چندان دور، اینکه نیاز روزمره انرژی جوامع از چه منبعی تامین شود موضوع قابل توجهی نبود و صرفا رسیدن به پاسخ نهایی از جمله گرمایش، سرمایش، روشنایی در شب و ... در اولویت قرار داشت. اما امروزه دنیای انرژی به این نتیجه رسیده است که هدف وسیله را توجیه نمیکند! چرا که استفاده از منابع فسیلی در طی دهههای گذشته، امروز خود را به صورت انواع چالشهای زیستمحیطی و تهدید سلامتی انسانها نشان داده است.
بنابراین طبیعی است که حتی افرادی که ارتباط مستقیمی با سیاستگذاری تامین انرژی کشورها ندارند، عباراتی مانند انرژی فسیلی، انرژی تجدیدپذیر، گازهای گلخانه ای و گرمایش جهانی را بارها شنیده باشند. سلول خورشیدی نیز از جمله عباراتی است که محدود به محافل علمی و صنعتی نمانده و در اخبار روزمره و گفت و گوهای معمولی نیز به کار میرود.
به همین دلیل مجله علمی-خبری مانا انرژی، این مقاله را به این موضوع اختصاص داده است که به زبان ساده به این سوال پاسخ دهد که سلول خورشیدی چیست و چگونه کار میکند. این مقاله برای تمام افراد و تمام سنین جهت ترویج فرهنگ استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و پاک تهیه شده است. در هر بخش، برای کسانی که علاقهمند به کسب اطلاعات دقیقتر و عمیقتر هستند، به مقالات مرتبط دیگر ارجاع دادهایم.
بیشتر بخوانید: ۱۰ منبع انرژی تجدیدپذیر که جهان را تغییر خواهند داد! (بخش اول)
سلول خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟
سلول خورشیدی که به آن سلول فتوولتائیک نیز گفته میشود، وسیلهای است که نور خورشید را مستقیما به برق تبدیل میکند. به همین سادگی!! همانطور که شما برای شستشوی لباسها از یک ماشین لباسشویی استفاده میکنید، میتوانید با تهیه یک سیستم خورشیدی متشکل از سلول های فتوولتائیک، برق مورد نیاز خانهتان را تأمین کنید.
سلول های خورشیدی برای تولید برق باید در فضاهای باز و در معرض نور مستقیم خورشید، مانند زمینهای بدون سایه یا پشت بام ساختمانها، نصب شوند. بدین ترتیب، هر خانه میتواند دارای یک نیروگاه برق مستقل کوچک باشد. از مزیت های مهم سلول های خورشیدی، تنوع در مقیاس کاربرد آنهاست. سلول های خورشیدی را میتوان برای تامین برق وسایل الکترونیکی کوچک مانند ماشین حساب، لپتاپ و گوشی تلفن همراه تا تامین برق مورد نیاز یک ساختمان یا حتی یک شهر بزرگ استفاده کرد.
سلول خورشیدی چه ساختاری دارد؟
همانطور که گفتیم، سلول خورشیدی یک دستگاه ساده و در عین حال کارآمد است که انرژی خورشید را به برق تبدیل میکند. به طور کلی، ساختار سلول خورشیدی از چند لایه تشکیل شده است. اولین لایه، لایهای از شیشه یا پلاستیک شفاف است که نور خورشید را به داخل سلول هدایت میکند. این لایه در عین اینکه نور را از خود عبور میدهد، از ورود گرد و غبار و آب به داخل سلول فتوولتائیک جلوگیری میکند.
زیر این لایه، لایهای از مواد نیمه رسانا وجود دارد. معمولاً از سیلیکون برای ساخت این لایه داخلی استفاده میشود. سیلیکون میتواند نور خورشید را جذب و الکترون تولید کند. وقتی نور به این لایه میتابد، الکترونها شروع به حرکت کرده و جریان الکتریکی یا همان برق تولید میشود.
در کنار لایه نیمه رسانا، دو نوع الکترود قرار میگیرد: الکترود مثبت و الکترود منفی. این الکترودها به الکترونها کمک میکنند تا به سمت بیرون از سلول خورشیدی حرکت کنند و در نتیجه جریان الکتریکی به وجود آید. الکترودها معمولاً از فلزاتی مانند نقره یا آلومینیوم ساخته میشوند. در نهایت، یک لایه پشتیبان وجود دارد که معمولاً از پلاستیک یا مواد دیگر ساخته شده است و محافظ سلول خورشیدی در برابر آسیبهای محیطی به شمار میرود. این لایه به سلول استحکام بخشیده و از آن در برابر رطوبت و شرایط جوی محافظت میکند.
به طور خلاصه، سلول خورشیدی از لایههای شیشهای، مواد نیمه رسانا، الکترودها و لایه پشتیبان تشکیل شده است که با همکاری یکدیگر انرژی خورشید را به برق تبدیل میکنند.
ماده اصلی تشکیل دهنده سلول خورشیدی چیست؟
عمدتا، ماده اصلی تشکیل دهنده سلول خورشیدی، سیلیکون است. سیلیکون یک عنصر نیمه رسانا است که در طبیعت به وفور یافت میشود. این ماده به دلیل ویژگیهای خاصش، میتواند نور خورشید را جذب و الکترونهای درون ساختار خود را آزاد کند. وقتی نور خورشید به سیلیکون داخل سلول خورشیدی میتابد، انرژی نور باعث تحریک الکترونها شده و آنها شروع به حرکت میکنند. این حرکت الکترونها باعث ایجاد جریان الکتریکی میشود که میتوان از آن برای تأمین انرژی استفاده کرد.
سلول های خورشیدی معمولاً از دو نوع سیلیکون ساخته میشوند: سیلیکون کریستالی و سیلیکون آمورف. سیلیکون کریستالی، که به شکل بلورهای منظم است، معمولاً کارایی بالاتری دارد و انرژی بیشتری تولید میکند. در مقابل، سیلیکون آمورف با ساختاری نامنظم، کارایی کمتری دارد؛ اما تولید آن سادهتر و هزینهاش نیز کمتر است.
سیلیکون یک عنصر شیمیایی است که در طبیعت به وفور یافت میشود. خاک، شن، ماسه و سنگهای معدنی سرشار از سیلیکون هستند و برای تولید ماده اصلی سازنده سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار میگیرند.
سلول خورشیدی چه انواعی دارد؟
انواع سلول خورشیدی به سه نسل تقسیم میشوند که هر کدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند. نسل اول، شامل سلول های خورشیدی کریستالی است که از سیلیکون بلوری ساخته میشوند. این نوع سلولها به دلیل کارایی بالا و طول عمر طولانی، در بازار بسیار محبوب هستند و معمولاً در پروژههای بزرگ و خانگی به کار میروند.
نسل دوم، شامل سلول های خورشیدی نازک است که از مواد مختلفی مانند سیلیکون آمورف یا کادمیوم تلورید ساخته میشوند. این سلولها سبکتر و انعطافپذیرتر هستند و به راحتی میتوانند روی سطوح مختلف نصب شوند. اگرچه کارایی آنها نسبت به نسل اول کمتر است، اما هزینه تولید پایینتری دارند و برای کاربردهای خاص مناسباند. نسل سوم، شامل فناوریهای نوین مانند سلول های خورشیدی رنگدانه ای و ارگانیک و ... است. این سلولها به دلیل راندمان بالا، طراحی جذاب و قابلیت تولید آسان، توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. برخی از آنها شفاف هستند و میتوانند در پنجرهها و محصولات دکوراتیو استفاده شوند. به طور کلی، هر نسل از سلول خورشیدی به دنبال بهبود کارایی، کاهش هزینه و افزایش کاربردپذیری در محیطهای مختلف ایجاد شده است.
کاربردهای سلول خورشیدی چیست؟
کاربردهای سلول های خورشیدی امروزه بسیار متنوع هستند و به ما این امکان را میدهند تا از انرژی خورشید که با نام سولار انرژی نیز شناخته میشود، به بهترین نحو بهرهبرداری کنیم. یکی از اصلیترین کاربردها، تأمین انرژی خانهها و ساختمانها است. با نصب پنل های خورشیدی روی سقف، میتوان برق مورد نیاز خانوادهها را به صورت محلی تولید کرد و هزینه های انرژی را کاهش داد.
در کنار استفاده خانگی، سلول های خورشیدی در صنایع نیز بسیار پرکاربرد هستند. بسیاری از کارخانهها از این تکنولوژی برای تأمین انرژی مورد نیاز خود استفاده میکنند. این کار نه تنها هزینه های تامین انرژی صنایع را کاهش میدهد، بلکه در حفظ محیط زیست نیز موثر است.
یکی دیگر از کاربردهای مهم سلول های فتوولتائیک، تأمین انرژی برای دستگاههای کوچک و قابل حمل است. مثلاً در شارژرهای خورشیدی، این سلولها به کار میروند تا گوشیهای همراه، تبلتها و دیگر دستگاههای برقی را شارژ کنند. این نوع شارژرها در سفر و مناطق دورافتاده بسیار مفید هستند. همچنین، سلول های خورشیدی در پروژههای بزرگ مانند نیروگاه های خورشیدی استفاده میشوند. این نیروگاهها میتوانند برق را برای هزاران خانه تولید کنند و به شبکه برق عمومی وصل شوند.
علاوه بر این، در کاربردهای فضایی نیز از سلولهای خورشیدی استفاده میشود. ماهوارهها و فضاپیماها برای تأمین انرژی خود به این سلولها وابسته هستند، زیرا در فضا دسترسی به منابع دیگر محدود است. کاربردهای سلول خورشیدی به مواردی که در این بخش ذکر شد محدود نمیشود و این فناوری امروزه کاربردهای نوین و متعدد بسیاری در جوامع پیدا کرده است.
بازیافت سلول های خورشیدی
فرآیند بازیافت سلول های خورشیدی یکی از موضوعات مهم و بهروز در دنیای انرژی های تجدیدپذیر است. با افزایش استفاده از پنل های خورشیدی، نیاز به مدیریت صحیح و بازیافت سلولها بیش از پیش احساس میشود. همانطور که اشاره شد سلول های خورشیدی معمولاً از مواد مختلفی مانند سیلیکون، فلزات گرانبها و شیشه ساخته شدهاند. این مواد میتوانند پس از پایان عمر مفید سلولها، بازیافت و به چرخه تولید بازگردانده شوند.
بازیافت سلول های خورشیدی به چند دلیل اهمیت دارد. اولاً، با بازیافت این سلولها، میتوان از هدررفت منابع طبیعی جلوگیری کرد. به عنوان مثال، سیلیکون و فلزات گرانبها مانند نقره و آلومینیوم که در ساخت سلولها استفاده میشوند، می توانند دوباره استخراج و در تولیدات جدید به کار روند. این موضوع به حفظ محیط زیست و کاهش استخراج معادن کمک میکند.
ثانیاً، بازیافت سلول های خورشیدی میتواند به کاهش آلودگی کمک کند. اگر سلول های خورشیدی به درستی مدیریت نشوند، ممکن است مواد سمی موجود در برخی از انواع آنها به محیط زیست آسیب برسانند. بازیافت صحیح این مواد میتواند خطرات زیست محیطی را به حداقل برساند. علاوه بر این، صنعت بازیافت سلولها میتواند فرصتهای شغلی جدیدی ایجاد کند. با گسترش فناوریهای بازیافت، نیاز به نیروی کار متخصص افزایش مییابد و این موضوع میتواند به توسعه اقتصادی کمک نماید.
در نهایت، بازیافت سلول های خورشیدی نه تنها به حفاظت از محیط زیست کمک میکند، بلکه به ایجاد یک چرخه پایدار در صنعت انرژی های تجدیدپذیر می انجامد. با توجه به رشد روزافزون استفاده از انرژی خورشیدی، سرمایه گذاری در فناوری های بازیافت میتواند آیندهای روشنتر و سبزتر برای نسلهای آینده به ارمغان آورد.
فناوری سلول خورشیدی با چه چالش هایی روبه رو است؟
چالش ها و موانع توسعه سلول های خورشیدی میتوانند بر توسعه و پذیرش آنها در جوامع تأثیر بگذارند. یکی از بزرگترین چالشها، هزینه تولید سلول های خورشیدی است. با وجود پیشرفتهای فناوری، هزینه های اولیه نصب و راه اندازی سیستم های خورشیدی هنوز هم میتواند برای بسیاری از مصرفکنندگان بالا باشد. این موضوع به ویژه در کشورهای در حال توسعه که منابع مالی محدودتری دارند، مهم است.
چالش دیگر، کارایی و بازدهی سلول هاست. هرچند فناوریهای جدید به بهبود کارایی کمک کردهاند، اما هنوز بخش قابل توجهی از نور خورشید به انرژی تبدیل نمیشود. این امر به ویژه در روزهای ابری یا در مناطق با تابش کم، میتواند محدودیتهایی ایجاد کند.
علاوه بر این، مسئله ذخیره سازی انرژی نیز یکی از چالش های اساسی استفاده از سلول های خورشیدی است. انرژی تولید شده در طول روز باید به گونهای ذخیره شود تا در زمانهای عدم تابش خورشید قابل استفاده باشد. باتری ها و سیستم های ذخیره سازی موجود، هنوز هم به اندازه کافی کارآمد و اقتصادی نیستند.
چالش های زیست محیطی نیز وجود دارد. فرآیند تولید سلول های خورشیدی میتواند شامل مواد شیمیایی سمی باشد که در صورت عدم مدیریت صحیح، به محیط زیست آسیب میرساند. همچنین، بازیافت سلول های خورشیدی پس از پایان عمر مفید آنها هنوز به طور کامل توسعه نیافته است. در نهایت، نوسانات بازار انرژی و سیاست های دولتی نیز میتوانند بر رشد صنعت انرژی خورشیدی تأثیر بگذارند. تغییرات در قوانین و مقررات میتواند سرمایهگذاریها را تحت تأثیر قرار دهد و به عدم اطمینان در بازار منجر شود. تمام این چالشها نیازمند راه حلهای نوآورانه و همکاری بینالمللی برای بهبود وضعیت انرژی خورشیدی هستند.
سلول های خورشیدی بر محیط زیست چه تاثیری می گذارند؟
تاثیر سلول های خورشیدی بر محیط زیست در بلندمدت - چه تاثیرات مثبت و چه منفی - باید به دقت مورد بررسی قرار گیرند. چرا که یکی از مهمترین اهداف توسعه انرژی خورشیدی، حفاظت از محیط زیست و جلوگیری از تغییرات مضر آن است. همانطور که میدانید، یکی از بزرگترین مزایای سلول های خورشیدی، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است. بنابراین با استفاده از انرژی خورشیدی به جای سوخت های فسیلی، میتوان به طور قابل توجهی آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی را کاهش داد. این امر به ویژه در مناطق شهری که آلودگی هوا یک مشکل جدی است، اهمیت ویژهای دارد.
با این حال، فرآیند تولید برخی از انواع سلول های خورشیدی میتواند شامل استفاده از مواد شیمیایی سمی باشد. برخی از این مواد در مراحل تولید و همچنین در حین بازیافت سلولها ممکن است به محیط زیست آسیب برسانند. به همین دلیل، نیاز به فناوری های پاک و روش های مدیریت زباله مؤثر در این صنعت احساس میشود.
علاوه بر این، زمین مورد نیاز برای نصب پنل های خورشیدی ممکن است به تغییر کاربری اراضی منجر شود. در صورت نصب در مناطق بکر یا کشاورزی، این اقدام میتواند به کاهش تنوع زیستی و آسیب به اکوسیستمهای محلی بیانجامد. بنابراین، انتخاب مکان مناسب برای نصب پنل ها بسیار مهم است.
همچنین با توجه به پیشرفتهای فناوری، روش های بازیافت سلول های خورشیدی در حال توسعه است که این امر میتواند به کاهش زباله های الکترونیکی و بازیابی مواد ارزشمند کمک کند. به طور کلی، تأثیر توسعه کاربرد این فناوری در جوامع بر محیط زیست به شدت به شیوههای تولید، نصب و مدیریت آنها بستگی دارد. با اتخاذ روشهای پایدار، میتوان به حداکثر مزایای این فناوری و کاهش آسیبهای آن به محیط زیست دست یافت.
دولت ها و سیاست های انرژی در توسعه سلول خورشیدی چه نقشی دارند؟
نقش دولت ها و سیاست های انرژی در توسعه سلول های خورشیدی از اهمیت ویژهای برخوردار است. با توجه به چالشهای زیستمحیطی و نیاز به کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی، دولتها میتوانند با اتخاذ سیاستهای مناسب، به تسریع در پذیرش و توسعه فناوری های خورشیدی کمک کنند.
یکی از ابزارهای کلیدی دولتها در این زمینه، ارائه مشوقهای مالی است. این مشوقها میتوانند شامل یارانهها، تخفیفهای مالیاتی و تسهیلات بانکی با نرخ بهره پایین باشند. این نوع حمایتها به کاهش هزینههای اولیه نصب پنل های خورشیدی کمک کرده و انگیزه بیشتری برای سرمایه گذاری در این حوزه ایجاد میکند. به عنوان مثال، بسیاری از کشورها برنامه های تشویقی برای نصب سیستم های خورشیدی در خانهها و کسب و کارها دارند که به افزایش استفاده از این فناوری کمک کرده است.
علاوه بر مشوقهای مالی، دولتها میتوانند با ایجاد چارچوبهای قانونی و نظارتی مناسب، بستر را برای توسعه بازار انرژی خورشیدی فراهم کنند. این موضوع شامل تنظیم مقرراتی برای اتصال به شبکه برق، استانداردهای کیفیت برای تجهیزات خورشیدی و قوانین حفاظت از محیط زیست میشود. وجود یک چارچوب قانونی شفاف و پایدار به سرمایهگذاران اطمینان میدهد که سرمایهگذاریهای آنها در درازمدت امن خواهد بود.
همچنین، دولتها میتوانند با سرمایهگذاری در تحقیق و توسعه، به پیشرفت فناوری های خورشیدی کمک کنند. حمایت از پروژههای تحقیقاتی و ایجاد مراکز نوآوری میتواند به بهبود کارایی و کاهش هزینه های تولید سلول های خورشیدی منجر شود. این نوع سرمایهگذاریها نه تنها به توسعه فناوری های جدید کمک میکند، بلکه میتواند در ایجاد اشتغال و رشد اقتصادی نیز موثر باشد.
نقش دولتها در آموزش و آگاهی عمومی نیز بسیار مهم است. با برگزاری کارگاهها و کمپینهای اطلاعرسانی، میتوان به مردم و کسب و کارها در مورد مزایای انرژی خورشیدی و شیوههای نصب و استفاده از آن آموزش داد. این امر به افزایش پذیرش عمومی و گسترش استفاده از این انرژی پاک و پایدار کمک خواهد کرد.
در نهایت، همکاریهای بینالمللی نیز میتواند تأثیر زیادی بر توسعه سلول های خورشیدی داشته باشد. دولتها میتوانند با تبادل تجربیات و بهترین شیوهها، به تسریع در پیشرفت این فناوری در سطح جهانی کمک کنند. به طور کلی، سیاستهای انرژی و اقدامات دولتها نقش اساسی در شکلگیری آینده انرژی خورشیدی و تحقق اهداف پایداری محیط زیست دارند.
کدام کشورها در تولید سلول خورشیدی پیشرو هستند؟
تولید سلول های خورشیدی به عنوان یکی از مهمترین فناوری های انرژی تجدیدپذیر، در چند کشور خاص به شدت رشد کرده است. این کشورها با سرمایهگذاریهای کلان در تحقیق و توسعه، به پیشرفتهای چشمگیری در این حوزه دست یافتهاند.
چین به عنوان بزرگترین تولیدکننده سلول های خورشیدی در جهان شناخته میشود. این کشور با بهرهگیری از منابع طبیعی و نیروی کار ارزان، توانسته است به سرعت ظرفیت تولید خود را افزایش دهد. این کشور همچنین یکی از مراکز تحقیقاتی پیشرفته در زمینه فناوری های خورشیدی به شمار میرود؛ به طوری که بسیاری از نوآوریها در این حوزه از این کشور نشأت میگیرد.
آلمان نیز به عنوان یکی دیگر از پیشگامان انرژی خورشیدی در سطح جهانی شناخته شده است. این کشور با سیاستهای حمایتی قوی و برنامههای تشویقی، به ترویج استفاده از انرژی خورشیدی پرداخته و بسیاری از پروژههای موفق را در این زمینه اجرایی کرده است. آلمان همچنین به عنوان یک الگو در زمینه انرژی های تجدیدپذیر، به دیگر کشورها کمک میکند تا به سمت استفاده از انرژی های پاک حرکت کنند.
ایالات متحده نیز یکی از کشورهای مهم در تولید و توسعه فناوری های خورشیدی از جمله سلول فتوولتائیک است. این کشور با وجود تنوع جغرافیایی و شرایط آب و هوایی مناسب، به طور قابل توجهی در نصب سیستم های خورشیدی پیشرفت کرده است. سرمایهگذاری در تحقیق و توسعه و همچنین ایجاد زیرساختهای مناسب، به رشد این صنعت کمک کرده است.
کشورهای دیگر مانند ژاپن و هند نیز در این حوزه فعال هستند. ژاپن با تمرکز بر فناوری های نوین و بهینهسازی سیستمها، به توسعه انرژی خورشیدی جهان پرداخته است. هند نیز با برنامهریزیهای بلندمدت و هدفگذاری برای افزایش ظرفیت های خورشیدی، به یکی از بازیگران مهم در عرصه انرژی تجدیدپذیر تبدیل شده است. به طور کلی، کشورهای پیشرو در تولید سلول های خورشیدی با اتخاذ سیاستهای مناسب و سرمایهگذاری در فناوریهای نوین، به توسعه این صنعت کمک کرده و به سمت آیندهای پایدارتر حرکت میکنند.
اولین و بزرگترین تولیدکننده سلول خورشیدی در ایران
همانطور که در بخش قبل گفتیم، تولید سلول های خورشیدی به عنوان یکی از مهمترین فناوریهای انرژی تجدیدپذیر، در چند کشور خاص به شدت رشد کرده است. این کشورها با سرمایهگذاریهای کلان در تحقیق و توسعه، به پیشرفتهای چشمگیری در این حوزه دست یافتهاند. در این میان، ایران نیز با پتانسیلهای بالای خود در زمینه انرژی خورشیدی، به دنبال استفاده بهینه از این منبع پایدار است. شرکت مانا انرژی پاک به عنوان تنها تولیدکننده سلول های خورشیدی در ایران، گامهای بلندی در این راستا برداشته است. این مجموعه با تمرکز بر کیفیت و نوآوری، به تولید سلول و پنل های خورشیدی با کارایی بالا و قیمت مناسب پرداخته و در تأمین نیازهای داخلی و کاهش وابستگی به واردات در این زمینه موثر بوده است.
مانا انرژی پاک با استفاده از فناوریهای روز دنیا و همکاری با متخصصان داخلی و بینالمللی، به دنبال ایجاد زیرساختهای مناسب برای توسعه انرژی خورشیدی در ایران است. این شرکت نهتنها در تولید، بلکه در آموزش و ترویج فرهنگ استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر نیز فعال است. توجه به محیطزیست و توسعه پایدار از اصول بنیادین مانا انرژی است. این شرکت با سرمایهگذاری در تحقیق و توسعه، به دنبال بومیسازی نوآوریهای جدیدی در زمینه انرژی خورشیدی در کشور است.
خوشبختانه این شرکت با ورود به عرصه زنجیره ارزش فتوولتائیک - به عنوان پیشگام صنعت تولید سلول خورشیدی در ایران - با احداث کارخانه سلول و پنل خورشیدی در خمین تاکنون به ظرفیت بسیار مناسبی در تولید این محصولات استراتژیک حوزه انرژی دست یافته است. پنلهای خورشیدی مانا انرژی، نهتنها در بازار داخلی ایران مورد استفاده قرار میگیرند، بلکه به کشورهای اطراف نیز صادر شده و به ترویج انرژیهای تجدیدپذیر در منطقه کمک میکنند.