انرژی خورشیدی و سلولهای خورشیدی
ارسال شده در: 05/16/2016, توسط : mohammad

سلول خورشیدی یکی از عباراتی است که بسیار آن را می شنویم و همیشه به عنوان یکی از راه حل های دنیای آینده برای تامین انرژی روی آن تاکید می شود. اما در قدم اول لازم نیست آن را چیز چندان پیچیده ای بدانیم. حتما شما ماشین حساب های با سلول خورشیدی را دیده اید. ابزارهایی که هیچ گاه به باتری و چیزهایی مانند این نیازی پیدا نمی کنند و دکمه خاموش و روشن هم ندارند. تا زمانی هم که نور کافی در محیط باشد، آنها برای همیشه به کار خود ادامه می دهند. شاید هم پنل های بزرگتر خورشیدی را دیده باشید. مثلا روی علائم و تابلوهای جاده ای و چراغ های سه رنگ راهنمایی سر چهارراه ها.

اگر چه این پنل های بزرگتر در دور اطراف ما همانند ماشین حساب های خورشیدی زیاد نیستند و عمومیت ندارند، اما اگر بدانید کجا دنبال آنها بگردید، به راحتی می توانید یکی از آنها را ببینید. در حقیقت ابزارهای فتو ولتائیک که زمانی منحصرا در فضا و برای تامین نیروی سیستم های الکتریکی ماهواره ها مورد استفاده قرار می گرفتند (از سال ۱۹۵۸) روز به روز استفاده های معمولی و ساده تری پیدا می کنند. تکنولوژی همیشه راه خود را به ابزارهای بیشتری باز می کند، از عینک های افتابی گرفته تا ایستگاه های شارژ ماشین های الکتریکی.

و اکنون چند دهه است که انسان با امید به یک «انقلاب خورشیدی» و ایده اینکه روزی ما خواهیم توانست تمام انرژی الکتریسیته مان را از خورشید تهیه کنیم، زندگی می کند. این یک وعده اغوا کننده است، زیرا در یک روز روشن و آفتابی، امواج خورشید تقریبا ۱۰۰۰ وات برمتر مربع انرژی را روی سطح زمین رها می کنند. اگر روزی بتوانیم تمام این انرژی را جمع آوری و مهار کنیم، نیروی لازم برای تمام خانه ها و ادارات ما به طور رایگان تامین خواهد شد.

در این مقاله قصد داریم به توضیح چگونگی تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته توسط سلولهای خورشیدی بپردازیم. پس در ادامه مطلب با ما همراه باشید.

سلول های فتو ولتائیک: تبدیل فتون ها به الکترون ها

سلول های خورشیدی که در ماشین حساب ها و ماهواره ها می بینید، با نام سلول های photovoltaic یا «قدرت زای نوری» هم شناخته می شوند. این نام از آنجا نشات گرفته که photo به معنی نور و voltaic به معنی الکتریسیته است، این سلول ها قرار است که نور خورشید را مستقیما تبدیل به الکتریسیته کنند. یک ماژول از گروهی سلول های متصل الکتریکی تشکیل شده و در یک فریم قرار گرفته است که بیشتر به عنوان یک پنل خورشیدی شناخته می شود. این پنل ها در گروه های بزرگ آرایه های خورشیدی در کنار یکدیگر قرار می گیرند و همگی همانند یک جسم واحد عمل می کنند.

سلول های فتو ولتائیک از مواد ویژه ای ساخته شده اند که آنها را semiconductor یا نیمه رسانا می نامیم. از این مواد می توان به سیلیکون اشاره کرد که اکنون بسیار پرکاربرد است. در اصل هنگامی که نور با سلول برخورد می کند، مقدار مشخصی از آن توسط مواد نیمه رسانا جذب می شود. این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتقل می شود. انرژی به الکترون های سست ضربه می زند و اجازه می دهد که آنها آزاد شده و به گردش در آیند.

سلول های فتو ولتائیک همچنین دارای یک میدان الکتریکی هستند که به عنوان یک اجبار برای الکترون های آزاد شده توسط نور جذب شده عمل می کند و آنها را در جهت معینی به جریان می اندازد. این گردش الکترون ها یک جریان ایجاد می کند و با قرار دادن اتصال های فلزی در پایین و بالای سلول فتو ولتائیک می توانیم این جریان را برای مصارف مختلف بیرون بکشیم. این جریان، به همراه ولتاژ درون سلول ها (که در نتیجه میدان یا میدان های الکتریکی درونی سلول ایجاد می شود) قدرت یا ولتاژ تولیدی توسط یک سلول خورشیدی را تعریف می کنند.

این فرآیند اساسی است که در یک سلول خورشیدی اتفاق می افتد، اما واقعیت بسیار پیچیده تر و بیشتر از آن است. در ادامه به شکل دقیق تر و عمیق تر نگاهی به یک سلول فتو ولتائیک می اندازیم: یک سلول سیلیکونی تک-کریستال.

چگونه سیلیکون تبدیل به سلول خورشیدی می شود؟

سیلیکون برخی خصوصیات شیمیایی ویژه و منحصر به فرد دارد. به ویژه اینکه در حالت کریستالی باشد. یک اتم سیلیکون ۱۴ لکترون دارد که در سه پوسته مختلف مرتب شده اند. دو لایه اول که دو و هشت الکترون دارند کاملا پر هستند. لایه یا پوسته بیرونی تنها نیمی از ظرفیتش با چهار الکترون پر شده است. اتم سیلیکون همواره به دنبال راهی است تا لایه آخر خود را کامل کند. و برای انجام این کار الکترون های خود را با چهار اتم کناری اش به اشتراک می گذارد. مانند اینکه هر اتم با اتم های کناری دست به دست هم داده و با چهار همسایه اش متحد شوند. این همان چیزی است که آن را ساختمان متبلور یا کریستالی می خوانند و این ترکیب است که در این نوع از سلول فوتو ولتائیک اهمیت فراوانی پیدا می کند.

تنها مشکل این است که سیلیکون کریستالی خالص رسانای الکتریسیته ضعیفی است، زیرا بر خلاف مواد رسانایی همچون مس، هیچ یک از الکترون های آن برای انتقال الکتریسیته آزاد نیستند. برای حل این مشکل، سیلیکون مورد استفاده در سلول خورشیدی با برخی اتم های دیگر ترکیب شده و ناخالصی موجود کمی شیوه کار اتم های سیلیکون را تغییر می دهد. سیلیکون را با تعداد کمی اتم های فسفر تصور کنید. شاید یک اتم به ازای هر یک میلیون اتم سیلیکون. فسفر در لایه بیرونی خود بر خلاف ۴ الکترون سیلیکون، ۵ الکترون دارد. اما هنوز با سیلیکون های همسایه اش باند شده و تشکیل اتحاد می دهد. اما به شکلی منطقی، فسفرها هنوز یک الکترون آزاد دارند که به هیچ جا متصل نیست. و عضو هیچ اتحادی هم نیست. اما در هسته فسفر پروتون مثبتی قرار دارد که آن را در جای خود نگه می دارد.

هنگامی که انرژی به سیلیکون خالص اضافه می شود، برای مثال به شکل فوتون، باعث می شود که برخی الکترون ها باندها و ارتباطات شان را شکسته و آزاد شوند. و در پس هر یک از این موارد شکست، یک حفره باقی می ماند. این الکترون ها «حاملان آزاد» نامیده می شوند و سپس به صورت تصادفی درون شبکه متبلور و کریستالی سرگردان خواهند بود و به دنبال حفره دیگری هستند تا درون آن افتاده و جریان الکتریکی را هدایت کنند. به هر صورت در سیلیکون خالص تعداد کمی از اینها وجود دارد که نمی توانند چندان مفید باشند.

اما سیلیکون ناخالص همراه با اتم های فسفر داستان متفاوتی دارد. این ترکیب به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد تا یکی از الکترون های اضافی فسفر را از دست دهد. زیرا آنها به جایی وصل نبوده و در اشتراک با دیگر اتم ها نیستند. در نتیجه بسیاری از این الکترون ها به سادگی می شکنند. در نتیجه نسبت به سیلیکون خالص، تعداد بسیار بیشتری حامل آزاد خواهیم داشت. فرآیند اضافه کردن ناخالصی را تغلیظ می نامند و هنگامی که این کار توسط فسفر انجام شود به سیلیکون تولید شده توسط این فرایند N-type می گویند که حرف n از کلمه negative گرفته شده است. زیرا این کار باعث از دست دادن الکترون می شود. سیلیکون تغلیظ شده N-type رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیکون خالص است.

بخش دیگر سلول های خورشیدی معمول، سیلیکون تغلیظ شده با عنصر بور است. بور در لایه بیرونی خود تنها سه الکترون دارد. در این حالت سیلیکون تولیدی را P-type می نامند که از کلمه Positive گرفته شده است. زیرا این سیلیکون در لایه آخر خود جای خالی برای یک الکترون داشته و با جذب حامل ها بار مثبت پیدا می کند.

حال بگذارید ببینیم هنگامی که این دو بخش در کنار هم قرار گرفته و به تعامل با هم می پردازند چه اتفاقی می افتد.

آناتومی یک سلول خورشیدی

اکنون می دانیم که دو بخش سیلیکونی ما به صورت مجزا ماهیت و طبیعت الکتریکی دارند. اما بخش جالب ماجرا وقتی شروع می شود که آنها را در کنار هم قرار دهید. زیرا بدون یک میدان الکتریکی، سلول کار نمی کند. و این میدان هنگامی شکل می گیرد که سیلیکون های P-type و N-type در ارتباط با هم باشند. ناگهان، الکترون های آزاد تمام حفره های خالی را پر می کنند؟ خیر. اگر چنین اتفاقی بیفتد، دیگر این دم و دستگاه چندان مفید و بدرد بخور نخواهد بود. البته درست در محل اتصال، آنها با هم ترکیب شده و یک سد می سازند. در نتیجه هر لحظه عبور الکترون ها از سمت N و رسیدن آنها به سمت P سخت تر و سخت تر می شود. سرانجام موازنه برقرار می شود. ما یک میدان الکتریکی مجزا در دو سو داریم.

این میدان الکتریکی همچون یک «دیود» عمل می کند و به الکترون ها اجازه می دهد (و آنها را مجبور می کند) تا از سمت P به سمت N جریان پیدا کنند. اما در خلاف این جریان حرکتی نخواهیم داشت. این درست مانند یک تپه است که الکترون ها می توانند به راحتی از آن پایین بیایند (سمت N) اما امکان بالارفتن از آن را ندارند (سمت P).

هنگامی که نور به شکل فوتون به سلول خورشیدی برخورد می کند، انرژی آن جفت های الکترون-حفره را از هم می شکند. هر فوتون با انرژی کافی معمولا می تواند یک الکترون را آزاد کند. اگر این اتفاق به اندازه کافی نزدیک به میدان الکتریکی باشد، یا اینکه الکترون و حفره آزاد شده سرگردان باشند، میدان الکتریکی موجود الکترون آزاد شده را به سمت N و حفره را به سمت P می راند. حال اگر یک مسیر جریان خروجی تهیه ببینیم، الکترون ها از سمت P به واحد الکتریکی جریان می یابند و کاری را که ما می خواهیم انجام می دهند. گردش الکترون ها تولید جریان می کند و میدان الکتریکی سلول باعث تولید ولتاژ می گردد. با جریان و ولتاژ، ما نیرو را خواهیم داشت که محصول هر دو است.

البته هنوز برقی قطعات دیگر باقی مانده اند تا ما واقعا بتوانیم از سلول خورشیدی مان استفاده کنیم. سیلیکون ها مواد بسیار درخشانی هستند که می تواند قبل از اینکه فوتون ها کارشان را انجام دهد باعث بازتاب آنها شوند.

یک پوشش ضد انعکاس لازم است تا تلفات را به حداقل برساند. مرحله آخر هم نصب چیزی است که از سلول ها در برابر محیط محافظت کند. این محافظ اغلب یک روپوش از طلق شیشه ای است. ماژول های فوتو ولتائیک معمولا از اتصال چندین سلول مجزا به یکدیگر برای دستیابی به سطح قابل قبولی از کاربردپذیری و میزان جریان و ولتاژ ساخته می شوند. و با قرار دادن آنها در یک فریم محکم و قوی به همراه ترمینال های مثبت و منفی داستان را کامل می کنند.

اکنون این سلول فوتو ولتائیک ما چه میزان انرژی خورشید را جذب می کند؟ متاسفانه شاید این میزان چندان زیاد نباشد. برای مثال در سال ۲۰۰۶ اغلب پنل های خورشیدی تنها بازده ۱۲ تا ۱۸ درصدی داشتند. آنچه که امروزه به عنوان بهترین راندمان سلولهای خورشیدی مطرح می شود و رکوردی برای بازده است، ۴۰ تا 40.7 درصد است.

اتلاف انرژی در یک سلول خورشیدی

نور مرئی تنها بخشی از طیف الکترومغناطیس است. تشعشع الکترومغناطیس تک رنگ نیست و از دامنه ای از طول موج های مختلف تشکیل شده و در نتیجه سطوح انرژی متفاوتی دارد.

نور را هم می توان به طول موج های گوناگونی تجزیه کرد که ما آن را به شکل رنگین کمان می بینیم. از آنجایی که سلول ما توسط فوتون هایی با دامنه انرژی های متفاوت مورد اصابت قرار می گیرد، لذا برخی از آنها انرژی لازم برای شکست پیوند الکترون-حفره را ندارند. آنها به سادگی از درون سلول می گذرند، درست انگار که از یک شیشه شفاف عبور کرده اند. در حالی که برخی دیگر از فوتون ها انرژی بسیار زیادی دارند. تنها میزان مشخصی از انرژی، که با الکترون ولت اندازه گیری شده (و میزان لازم برای مواد درون سلول ما هم مشخص است) می تواند بر الکترون های اتم های سیلیکون سلول خورشیدی ما اثر گذارد. ما این را band gap energy می نامیم. اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم داشته باشد، پس انرژی اضافی هدر می رود. مگر اینکه فوتون انرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشته و بتواند به طور همزمان دو الکترون را رها کند که این هم چندان زیاد نیست که معنی دار محسوب شود. به این صورت است که تقریبا ۷۰ درصد انرژی تابشی دریافتی توسط سلول ما در واقع تلف می شود و کارایی ندارد.

چرا نمی توانیم موادی را انتخاب کنیم که band gap پایینی داشته باشند و از فوتون های بیشتری بهره ببریم؟ متاسفانه band gap ما توسط قدرت یا ولتاژ میدان الکتریکی مان هم محدود شده است و اگر بسیار پایین باشد، جریانی که توسط جذب فوتون های بیشتر تولید می شود، ولتاژ بسیار پایین تری تولید خواهد کرد. و شیوه کار فعلی بهینه ترین حالت ممکن برای تولید ولتاژ و جریان مناسب است.

ما همچنین تلفات دیگری هم در این میان داریم. الکترون های ما توسط یک مدار بیرونی از یک سوی سلول به سوی دیگر جریان پیدا می کنند. ما می توانیم بخش پایینی را با فلز پوشانده و رسانایی مناسبی را تامین کنیم. اما اگر بخش بالایی را کامل بپوشانیم، آنگاه فوتون ها نمی توانند از درون رسانای مات عبور کنند و ما تمامی جریان را به کلی از دست می دهیم. در برخی از سلول های خورشیدی در بالا از رساناهای شفاف استفاده می شود. اگر هم نقاط تماس مان را در دیواره های سلول قرار دهیم. الکترون ها راه واقعا طولانی را لازم است برای رسیدن به نقاط تماس طی کنند. به خاطر داشته باشید که سیلیکون یک نیمه رسانا است و همانند فلز از پس عبور جریان بر نمی آید. و مقاومت داخلی آن نسبتا بالا است. و مقاومت بالا به معنی اتلاف انرژی بالا است. برای به حداقل رساندن این اتلاف، سلول ها را توسط شبکه فلزی می پوشانند که فاصله سفر الکترون ها تا نقاط تماس را به حداقل می رساند. البته این مورد هم باعث بلوکه شدن برخی فوتون ها می شود که اگرچه خیلی کم نیست، اما از مقاومت داخلی نیمه رساناها بسیار کمتر است.

اکنون می دانیم که یک سلول خورشیدی چگونه کار می کند. اجازه دهید ببیینیم چگونه می توان انرژی یک خانه را با این تکنولوژی تامین کرد.

تامین انرژی خانه با سلول خورشیدی

برای تامین انرژی خانه مان با انرژی خورشیدی به چه چیزی نیاز داریم؟ اگر چه کار به سادگی نصب چند ماژول بر روی پشت بام خانه نیست. و البته چندان هم متفاوت با آن نیست.

اول از همه، تمامی پشت بام ها جهت مناسب یا زاویه و شیب لازم برای استفاده کامل از نور خورشید را ندارند. سیستم های فوتو ولتائیک ثابت که امکان رهگیری نور خورشید را ندارد، باید در جهت مناسبی نصب شوند که بیشترین مدت روز و بیشترین مدت سال از نور مستقیم خورشید بهره مند شوند. البته هنگام نصب این نکته هم باید در نظر گرفته شود که شما می خواهید حداکثر برق را در صبح تولید کنید یا هنگام عصر آن را در اختیار داشته باشید. از خانه در زمستان بیشتر استفاده می شود یا تابستانه است. و مطمئنا پنل ها نباید توسط سایه درختان اطراف خانه یا خانه های همسایه ها پوشانده شوند.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *