انرژی خورشیدی به عنوان یکی از مهمترین منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان شناخته می شود. استفاده از این انرژی پاک، به ویژه توسط فناوری سلول خورشیدی، می تواند نقش مهمی در کاهش استفاده از سوخت های فسیلی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای داشته باشد. سلول خورشیدی که با نام سلول فتوولتائیک نیز شناخته می شود، ابزاری است که انرژی نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می کند. این فناوری به عنوان اصلی ترین جزء تشکیل دهنده پنل خورشیدی و همچنین یک راه حل مهم برای تولید انرژی تجدیدپذیر و پاک در مقیاس های مختلف مورد توجه قرار گرفته است.
ساختار سلول های خورشیدی از اجزای مختلفی تشکیل شده است که طراحی و ساخت هر یک از آنها نقش مهمی در بهبود کارایی و عملکرد این سلول ها ایفا می کند. در این مقاله، به بررسی جزئیات این ساختار و اصول کار آن خواهیم پرداخت.
ابتدا به توضیح پدیده فتوولتائیک که پایه و اساس عملکرد سلول های خورشیدی است پرداخته و سپس ساختار اصلی یک سلول خورشیدی معمولی را شامل لایه های نیمه هادی، اتصالات فلزی و پوشش ضد انعکاس مورد بررسی قرار خواهیم داد. همچنین به اجزای دیگر این ساختار مانند الکترودها اشاره خواهیم کرد.
در ادامه، به بررسی عوامل موثر در بهبود عملکرد سلول های خورشیدی خواهیم پرداخت. این عوامل شامل انتخاب مواد مناسب، بهینه سازی ساختار لایه ها، بهبود پوشش آنتی رفلکس و افزایش بازده تبدیل انرژی است. درک این موارد می تواند به توسعه سلول های خورشیدی با کارایی بالاتر منجر شود.
اصول فیزیکی سلول خورشیدی
اثر فتوولتائیک، پایه و اساس عملکرد انواع سلول خورشیدی است. این اثر در سال ۱۸۳۹ توسط فیزیکدان فرانسوی ادموند بکرل کشف شد. اثر فتوولتائیک به فرآیندی اشاره دارد که در آن انرژی نور خورشید مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
اثر فتوولتائیک یکی از ویژگی های مواد نیمه هادی است. در مواد نیمه هادی، وقتی فوتون های نور خورشید با انرژی کافی به این مواد برخورد می کنند، می توانند الکترون ها را از پیوندهای اتمی جدا کنند. در نتیجه این جداسازی، جفت الکترون-حفره ایجاد می شود. الکترون‌ها و حفره ها بارهای آزاد هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی موجود در ساختار سلول خورشیدی به سمت الکترودهای مثبت و منفی حرکت می کنند.
این میدان الکتریکی به دلیل وجود ناحیه تهی شده در اتصال پی-ان (p-n junction) در سلول خورشیدی ایجاد می شود. در این ناحیه، الکترون‌ها از ناحیه نوع p به ناحیه نوع n و حفره ها از ناحیه نوع n به ناحیه نوع p منتقل شده و باعث ایجاد اختلاف پتانسیل می شوند. در ادامه به طور مفصل درباره مکانیسمی که موجب شکل گرفتن این میدان الکتریکی در سلول می شود، سخن خواهیم گفت.
مکانیسم جذب نور و تبدیل به انرژی الکتریکی
برای ساخت سلول خورشیدی از حداقل دولایه نیمه هادی استفاده می شود که هر کدام از این لایه ها به وسیله اتم های خاصی دارای بار الکتریکی می شوند.
بنابراین می توان گفت ساختار یک سلول خورشیدی معمولاً شامل دو لایه نیمه هادی است:
۱) ناحیه نوع p (ناحیه حفره) که با افزودن ناخالصی مانند بور به نیمه هادی به وجود می آید.
۲) ناحیه نوع n (ناحیه الکترون) که با افزودن ناخالصی مانند فسفر به نیمه هادی به وجود می آید.
به دلیل افزودن ناخالصی به لایه های نیمه هادی، در ناحیه نوع p مقدار بیشتری حفره وجود دارد و در ناحیه نوع n، مقدار بیشتری الکترون وجود دارد. هنگامی که این دو ناحیه با هم در تماس قرار می گیرند، الکترون‌ها از ناحیه نوع n به ناحیه نوع p و حفره ها از ناحیه نوع p به ناحیه نوع n منتقل می شوند.در نتیجه این انتقال بار، در ناحیه اتصال p-n junction ناحیه تهی ایجاد می شود که هیچ بار آزادی در آن وجود ندارد. این ناحیه تهی شده، میدان الکتریکی قوی ایجاد می کند.
بنابراین در سلول خورشیدی، میدان الکتریکی در ناحیه اتصال پی-ان (p-n junction) به دلیل تفاوت در نوع ناخالصی های موجود در دو لایه از نیمه هادی ایجاد می شود. میدان الکتریکی ایجاد شده، الکترون ها و حفره های آزاد را به سمت الکترودهای مثبت و منفی سلول هدایت می کند. با جابه جایی بارهای الکتریکی، جریان الکتریکی یا همان جریان برق در مدار خارجی سلول خورشیدی ایجاد می شود.
به طور خلاصه، تفاوت در نوع ناخالصی های موجود در دو لایه نیمه هادی باعث ایجاد ناحیه تهی شده و میدان الکتریکی قوی در اتصال p-n junction می شود. این میدان الکتریکی، نقش کلیدی در جمع آوری بارهای الکتریکی و تولید جریان در سلول خورشیدی ایفا می کند.
فرآیند انتقال بار در اجزای سلول خورشیدی
در واقع، تحت تابش نور خورشید، جریان الکتریکی در مدار خارجی سلول خورشیدی ایجاد می شود. همانطور که گفتیم، این جریان به دلیل جابه جایی بارهای آزاد ایجاد شده در لایه های داخلی در اثر جذب فوتون ها و حرکت آنها به سمت الکترودهای مثبت و منفی است.
علاوه بر این فرآیند اصلی، سایر فرآیندهای فیزیکی نیز در سلول های خورشیدی رخ می دهند که بر بازده نهایی آنها تأثیرگذار است. از جمله این فرآیندها می‌توان به بازترکیب الکترون-حفره، تلفات نوری و الکتریکی اشاره کرد. بازده تبدیل انرژی نور به انرژی الکتریکی در سلول های خورشیدی به عوامل مختلفی مانند ساختار، جنس مواد، طراحی و فناوری های پیشرفته مربوط است. تلاش های گسترده ای در سراسر جهان برای بهبود بازده و کاهش هزینه های تولید سلولهای خورشیدی در حال انجام است تا این فناوری کارآمد و اقتصادی تر شود.
ساختار سلول خورشیدی
ساختار اصلی سلول های خورشیدی به صورت کلی شامل موارد زیر است. طراحی و انتخاب مناسب هر یک از این اجزا نقش بسیار مهمی در عملکرد و بازده نهایی سلول خورشیدی ایفا می کند. می توان گفت توسعه و بهبود مواد و ساختار بخش های اصلی، محور تحقیقات در زمینه سلول های خورشیدی است.
۱. نیمه هادی جذب کننده نور
هسته اصلی یک سلول خورشیدی، لایه نیمه هادی جذب کننده نور است. این ماده نیمه هادی باید قادر به جذب طیف وسیعی از نور خورشید و تبدیل آن به جفت الکترون-حفره باشد. ماده نیمه هادی مورد استفاده باید دارای شکاف انرژی مناسب، خواص الکترونی مطلوب و پایداری در برابر شرایط محیطی باشد.
سیلیکون متداول ترین ماده نیمههادی مورد استفاده در سلول های خورشیدی است، اما در سال های اخیر مواد جدیدتری مانند ترکیبات پروسکایت نیز به کار گرفته می شوند. انتخاب مناسب ماده جذب کننده نور، اولین و مهمترین قدم در طراحی یک سلول خورشیدی کارآمد است.
۲. ناحیه نوع p و نوع n
برای ایجاد میدان الکتریکی درون سلول خورشیدی، لایه نیمه هادی سیلیکون به دو ناحیه نوع p و نوع n تقسیم می شود. این کار با افزودن ناخالصی های گروه III (مانند بور) و گروه V (مانند فسفر) به سیلیکون صورت می گیرد.
۳. لایه انتقال بار
بین لایه نیمه هادی سیلیکون و الکترود، لایه انتقال دهنده الکترون و حفره قرار می گیرد. این لایه نقش مهمی در جمع آوری و انتقال بارهای الکتریکی به الکترودها دارد.
۴. لایه های عایق و محافظ
برای محافظت سلول خورشیدی از محیط و افزایش بازده، لایه‌هایی مانند شیشه، پلیمرها و پوشش های ضدبازتاب در بخش جلو و پشت سلول قرار می گیرند.
۵. الکترودهای فلزی
الکترودهای فلزی در قسمت جلو (الکترود شفاف) و پشت (الکترود پشتی) سلول قرار می گیرند. این الکترودها برای جمع آوری و انتقال بارهای الکتریکی تولید شده در سلول ضروری هستند.
مواد نیمه هادی کاربردی در سلول های خورشیدی
مواد نیمه هادی با ویژگی های منحصر به فرد خود نقش بسیار مهمی در توسعه و بهبود عملکرد سلول های خورشیدی ایفا می کنند. هر یک از این مواد، مزایا و چالش های خاص خود را دارند و انتخاب و ترکیب مناسب آنها می تواند به افزایش بازده و کاهش هزینه سلول های خورشیدی کمک کند.
۱. سیلیکون و تاثیر ناخالصی‌ها
سیلیکون همچنان محبوب ترین و متداول ترین ماده نیمه هادی برای استفاده در سلول های خورشیدی است. این محبوبیت به چندین دلیل است:
اول، سیلیکون به وفور در طبیعت در دسترس است و فرآیندهای تولید آن به خوبی توسعه یافته اند.
دوم، سیلیکون بلوری دارای خواص الکترونی و نوری مناسبی برای کاربرد در سلول های خورشیدی است و می تواند راندمان تبدیل انرژی خوبی ارائه دهد. با این حال، برای بهبود عملکرد سیلیکون در سلول های خورشیدی، ایجاد ناخالصی های هدفمند در ساختار بلوری آن اهمیت زیادی دارد. افزودن عناصر گروه III (مانند بور یا گالیوم) و گروه V (مانند فسفر) به سیلیکون، باعث ایجاد نواحی نوع p و نوع n می شود که برای ایجاد میدان الکتریکی و جمع آوری بارهای الکتریکی در سلول خورشیدی ضروری است.
۲. ترکیبات CIGS و CdTe
در کنار سیلیکون، ترکیبات نیمه هادی پیشرفته ای مانند CIGS (مس-اندیوم-گالیوم-سلنیوم) و CdTe (کادمیوم-تلوریوم) نیز به عنوان مواد جذب کننده نور در سلول های خورشیدی مورد توجه قرار گرفته اند. این مواد دارای شکاف انرژی نوری مناسب و خواص الکترونی عالی هستند که باعث بهره وری بالای تبدیل انرژی در سلول های خورشیدی مبتنی بر آنها می شود.
۳. نانومواد و ساختارهای کوانتومی
در سال های اخیر، استفاده از نانومواد و ساختارهای کوانتومی در سلول های خورشیدی نیز مورد توجه قرار گرفته است. این مواد نانوساختار، مانند نانولوله ها، نانوسیم ها و نقطه های کوانتومی، دارای ویژگی‌های منحصربه فرد نوری و الکترونی هستند که امکان بهبود چشمگیر عملکرد سلول های خورشیدی را فراهم می کند.
به عنوان مثال، نقطه های کوانتومی به دلیل خاصیت پله ای جذب طیفی، می توانند بازده تبدیل انرژی را افزایش دهند. همچنین ساختارهای نانومقیاس به دلیل سطح ویژه بالا و امکان جذب بهتر نور، کارآیی سلول های خورشیدی را ارتقا می بخشند. چالش اصلی در این زمینه، استفاده موثر و یکپارچه سازی این مواد نانوساختار در ساختار سلول های خورشیدی است.
بهبود کارایی و راندمان سلول های خورشیدی
۱. افزایش جذب نور و کاهش تلفات
یکی از راهکارهای حیاتی برای افزایش راندمان سلول های خورشیدی، افزایش میزان جذب نور توسط ماده نیمه هادی فعال است. این امر می تواند از طریق استفاده از مواد با ضریب جذب نوری بالا، مثل ترکیبات پروسکایت یا CdTe و CIGS محقق شود. همچنین، طراحی ساختارهای فوتونیکی پیشرفته در سلول های خورشیدی می تواند با تقویت مسیرهای جذب نور، به کاهش تلفات نوری کمک کند.
۲. بهینه سازی طراحی ساختاری و انتقال بار
علاوه بر افزایش جذب نور، بهینه سازی طراحی ساختاری و مهندسی لایه های انتقال بار الکترون و حفره نیز نقش کلیدی در بهبود کارایی سلول های خورشیدی ایفا می کند. استفاده از ساختارهای چندگانه، هموارسازی ناهمواری ها و کنترل ضخامت لایه ها میتواند به بهبود انتقال و جمع آوری بارهای الکتریکی کمک کند.
۳. استفاده از پوشش های ضدانعکاس
به منظور کاهش تلفات نوری در سلول های خورشیدی، استفاده از پوشش های ضدبازتاب بسیار حائز اهمیت است. این پوشش ها می توانند با کاهش بازتاب نور از سطح سلول، بیشترین نور را به‌داخل ساختار هدایت کنند. همچنین، به‌کارگیری موادback-reflector در لایه‌های محافظ و الکترودهای سلول های خورشیدی لایه نازک می تواند مقدار نوری را که بدون تبدیل به الکتریسیته از سلول خارج می شود، به‌طور قابل توجهی کاهش دهد.