سلول فتوولتاییک (photovoltaic cell)

فاطمه یاس

کاربر ممتاز
یک سلول خورشیدی یا پیل خورشیدی (solar cell)‌ یا پیل فتوولتاییک یا سلول فتوولتاییک (photovoltaic cell) یک وسیله الکتریکی است که با استفاده از اثر فتوالکتریک، انرژی نور را به صورت مستقیم به برق تبدیل می‌کند.

در مقابل سلول‌های خورشیدی، کلکتور گرمایی خورشیدی با جمع‌آوری نور خورشید حرارت را جذب می‌کنند و از آن برای تولید غیر مستقیم برق و یا گرمایش مستقیم استفاده می‌کنند. از طرف دیگر، سلول‌های فتوالکترولیتیک (photoelectrolytic cell) یا پیل‌های فتو الکتروشیمیایی (photoelectrochemical cell) نوعی سلول فتو ولتاییک یا وسیله‌ای هستند که با استفاده از نور خورشید، آب را مستقیما به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کنند.

بلوک ساختمانی یک پنل خورشیدی


از ساختار سلول‌های خورشیدی برای ساختن ماژول‌های خورشیدی استفاده و از نور خورشید تولید برق می‌کنند. سلول‌های مختلف یک گروه تشکیل می‌دهند که همگی بر روی یک صفحه جهت‌گیری شده‌اند و ایجاد یک پنل فتو‌ولتاییک خورشیدی (solar photovoltaic panel) یا ماژول فتوولتاییک خورشیدی (solar photovoltaic module) می‌کنند که در مقابل ماژول گرمایی خورشیدی (solar thermal module) یا پنل آب گرم خورشیدی (solar hot water panel) قرار می‌گیرند. انرژی خورشیدی تولید شده در ماژول‌های خورشیدی به برق خورشیدی معروف است. یک گروه از ماژول‌های خورشیدی متصل به هم یک آرایه (array)‌ تشکیل می‌دهند که می‌توانند بر روی یک سیستم ترکر خورشیدی نصب شوند.



ماژول‌های فتوولتاییک اغلب دارای یک ورق شیشه‌ای در سمت رو به خورشید خود هستند که امکان عبور نور خورشید را می‌دهد ولی از ویفرهای نیمه‌رسانا (semiconductor wafers) در برابر برخورد غبار ناشی از باد، باران، تگرگ و مانند آن محافظت می‌کنند. سلول‌های خورشیدی به صورت سری در ماژول‌ها متصل می‌شند و ولتاژ تولیدی آن‌ها با هم جمع می‌شود.

اتصال موازی سلول‌ها باعث افزایش جریان می‌شود. مسایل زیادی در رابطه با اتصال موازی وجود دارد. مثلا اثر سایه می‌تواند رشته موازی (تعدادی سلول متصل به صورت سری) ضعیف‌تر (دارای تابش کم‌تر) را خاموش کند که باعث کاهش زیاد توان و آسیب به رشته ضعیف‌تر به دلیل بایاس معکوس (reverse bias) زیاد توسط رشته‌های دارای نور بر روی سلول‌های بدون نور، گردد.

برای این که استفاده از انرژی خورشیدی تولیدی عملی باشد، اغلب الکتریسیته به وسیله اینورترها (inverters) به شبکه برق متصل می‌شود که به آن سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه (grid-connected photovoltaic systems) گفته می‌شود. برای ذخیره انرژی در زمانی که به آن نیازی نیست از باتری استفاده می‌شود. می‌توان از پنل‌های خورشیدی برای توان‌دهی یا شارژ دستگاه‌های پرتابل استفاده کرد.



تئوری سلول‌های خورشیدی


سلول‌های خورشیدی در سه قدم کار می‌کنند:

  1. فتون‌های نور خورشید به پنل خورشیدی برخورد می‌کنند و به وسیله مواد نیمه‌رسانایی همانند سیلیکون جذب می‌شوند.
  2. الکترون‌ها از اتم‌های خود جدا می‌شوند و یک اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کنند. جریان الکتریکی درون ماده جاری می‌شود تا این پتانسیل را جبران کند. به دلیل ترکیب خاص سلول‌های خورشیدی، الکترون‌ها تنها می‌توانند در یک جهت حرکت کنند.
  3. یک آرایه از سلول‌های خورشیدی، انرژی خورشیدی را به مقدار قابل کاربرد از جریان مستقیم (DC) برق تبدیل می‌کند.


کارایی سلول‌های خورشیدی


راندمان یک سلول خورشیدی به راندمان قابلیت بازتاب (reflectance efficiency)، راندمان ترمودینامیکی، راندمان جداسازی حامل شارژ (charge carrier separation efficiency) و راندمان رسانایی (conductive efficiency) تقسیم می‌شود. راندمان کلی حاصل‌ضرب هر کدام از این راندمان‌های مستقل خواهد بود. یک سلول خورشیدی دارای یک منحنی وابسته به ولتاژ، ضرایب دمایی و زاویه سایه است.


قیمت سلول‌های خورشیدی


قیمت سلول‌های خورشیدی به ازای هر واحد از انرژی الکتریکی در حالت پیک داده می‌شود. سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا برای کاهش قیمت انرژی خورشیدی بسیار مورد توجه هستند. بسیاری از هزینه‌های یک نیروگاه خورشیدی متناسب با مساحت پنل و مساحت زمین نیروگاه است. سلول‌های با راندمان بالاتر می‌توانند مساحت مورد نیاز و قیمت کلی نیروگاه را کاهش دهند، حتی اگر خود سلول‌ها گران‌تر شده باشند.

نمودار بالا نشان دهنده بهترین راندمان‌های آزمایشگاهی مواد و تکنولوژی‌های مختلف است که معمولا با سلول‌های بسیار کوچک در اندازه 1 سانتی‌متر مربع انجام می‌شود. البته راندمان‌های تجاری به شدت کم‌تر است.

توازن شبکه‌ای (grid parity) نقطه‌ای است که قیمت برق فتوولتاییک با قیمت برق شبکه برابر یا از آن کم‌تر است، می‌تواند با استفاده از سلول‌های خورشیدی ارزان به دست آید. طرفداران سلول‌های خورشیدی امیدوارند که به زودی در مناطق با خورشید زیاد و قیمت بالای برق همانند کالیفرنیا و ژاپن بتوانند به توازن شبکه‌ای دست یابند.

قیمت پنل‌های خورشیدی در مدت 40 سال و تا سال 2004 به صورت پیوسته کاهش پیدا کرد که در آن زمان به دلیل افزایش تقاضا برای سیلیکون خالص که در تراشه‌های کامپیوتری نیز به کار می‌رفتند، قیمت آن بالا رفت. در سال 2008 و پس از ورود سازندگان چینی به بازار سیر نزولی این سلول‌ها ادامه یافت. در مدت 4 سال و پس از ژانویه 2008، قیمت ماژول‌های خورشیدی در آلمان از 3 یورو در هر وات پیک به 1 یورو رسید. در دسامبر 2011 قیمت پنل‌های تولیدی به زیر 0.6 یورو در وات پیک رسید.


متریال سلول‌های خورشیدی


متریال‌های مختلف، کارایی و قیمت‌های مختلفی دارند. مواد یک سلول خورشیدی کارا باید خواصی منطبق با طیف نور موجود داشته باشند. موادی که در حال حاضر در سلول‌های فتوولتاییک به کار می‌روند شامل سیلیکون تک‌کریستالی (monocrystalline silicon)، سیلیکون چند‌کریستالی (polycrystalline silicon)، سیلیکون غیر کریستالی (amorphous silicon)، تلورید کادمیوم (cadmium telluride) و سلنید/سولفید ایندیوم مس (copper indium selenide/sulfide) می‌باشد.

بسیاری از سلول‌های خورشیدی امروزی به صورت تکه‌ای ساخته می‌شوند و به ویفر‌هایی (wafers) با ضخامت بین 180 تا 240 میکرومتر بریده می‌شوند و پس از آن همانند بقیه نیمه‌رساناها تحت فرآیند قرار می‌گیرند.

مواد دیگری که به صورت لایه‌های فیلم نازک (thin-films layers) یا رنگ‌های ارگانیک (organic dyes) و پلی‌مرهای ارگانیک ساخته می‌شوند بر روی مواد نگه‌دارنده لایه‌گذاری می‌شوند.
گروه سوم نیز از مواد نانوکریستال (nanocrystals) ساخته می‌شوند و از نقطه‌های کوانتومی (quantum dots) یا نانو ذرات با الکترون مقید (electron-confined nanoparticles) استفاده می‌کنند.

سیلیکون تنها ماده‌ای است که در هر دو شکل تکه‌ای و فیلم نازک به خوبی بر روی آن تحقیق شده است.



سلول‌های خورشیدی سیلیکون کریستالی


تاکنون پرکاربرد‌ترین ماده تکه‌ای (bulk) برای سلول‌های خورشیدی، سیلیکون کریستالی (crystalline silicon) یا c-Si بوده است که به آن سیلیکون با گرید سولار (solar grade silicon) نیز می‌گویند. سیلیکون بالک بر حسب کریستالی بودن و سایز کریستال، به دسته‌های مختلفی شامل شمشی (ingot)، روبانی (ribbon) و ویفری (wafer) تقسیم می‌شود.




سیلیکون‌های تک‌کریستالی (monocrystalline silicon) یا c-Si: این نوع از سلول‌ها قیمت بالایی دارند و از آن‌جایی که از شمش‌های کریستالی بریده می‌شوند، بدون اتلاف مقدار زیادی سیلیکون خالص نمی‌توانند کاملا یک ماژول سلول خورشیدی مربعی را بپوشانند. در نتیجه بیش‌تر پنل‌های c-Si دارای شکاف‌های خالی در چهار گوشه سلول هستند.



سیلیکون‌های چند کریستالی (polycrystalline silicon/multicrystalline silicon) یا poly-Si یا mc-Si: که از شمش‌های ریختگی مربعی ساخته می‌شوند. ساخت سلول‌های Poly-Si ارزان‌تر از سلول‌های تک‌کریستالی است ولی راندمان آن کم‌تر است؛ فروش این نوع سلول‌ها نیز از همتای تک‌کریستالی خود بیش‌تر بوده است.

سیلیکون روبانی (ribbon silicon) نوعی سیلیکون پلی‌کریستالی است که به وسیله کشیدن فیلم‌های تخت از سیلیکون مایع به دست می‌آید. این سلول‌ها راندمان کم‌تری نسبت به poly-Siها دارند ولی به دلیل کاهش زیاد در اتلاف سیلیکون، هزینه تولید آن‌ها کاهش می‌یابد زیرا این روش نیاز به بریدن از شمش‌ها ندارد.

تحلیل‌ها پیش‌بینی کرده‌اند که قیمت سیلیکون پلی‌کریستالین کاهش خواهد یافت زیرا ظرفیت تولید پلی‌کریستالین شرکت‌ها سریع‌تر از تقاضای بازار رشد خواهد کرد.

سلول‌های خورشیدی فیلم نازک


تکنولوژی‌های فیلم نازک (thin-film)، میزان مواد مورد نیاز برای تولید مواد اکتیو سلول‌های خورشیدی را کاهش می‌دهند. بیش‌تر سلول‌های خورشیدی فیلم نازک بین دو قطعه شیشه ساندویچ می‌شود و یک ماژول تشکیل می‌دهند. از آن‌جایی که پنل‌‌های خورشیدی سیلیکونی تنها از یک قطعه شیشه استفاده می‌کنند، پنل‌های فیلم نازک حدود دو برابر وزن پنل‌های سیلیکونی کریستالی را دارا هستند. بیش‌تر پنل‌های فیلمی نسبت به انواع سیلیکونی حدود 2 یا 3 درصد راندمان کم‌تری هستند. تکنولوژی‌های خورشیدی نازک به دلیل هزینه ارزان‌تر و انعطاف‌پذیری نسبت به سلول‌های ویفری سیلیکونی، علاقه سرمایه‌گذاران را به خود جلب کرده است ولی هنوز تبدیل به محصولات اصلی خورشیدی نشده‌اند که دلیل آن راندمان کم‌تر و مصرف مساحت بیش‌تر به ازای هر کیلووات است. کادمیوم تلوریاد (Cadmium telluride) یا CdTe، سلناید گالیوم ایندیوم مس (copper indium gallium selenide) یا CIGS و سیلیکون غیر کریستالی (amorphous silicon) یا A-Si، سه تکنولوژی فیلم نازک پر کاربرد هستند که CdTe رقابتی‌ترین تکنولوژی از میان آن‌ها است که در سال 2011 قیمت آن 30 درصد کم‌تر از تکنولوژی CIGS و 40 درصد کم‌تر از A-Si بود.







کادمیوم تلوراید


سلول خورشیدی فیلم نازک کادمیوم تلوراید یک لایه نیمه رسانا برای جذب و تبدیل نور خورشید به برق می‌باشد. ارزان‌ترین قیمت ماژول فیلم نازک گزارش شده 0.84 دلار در هر وات پیک است در حالی که کم‌ترین قیمت ماژول سیلیکون کریستالی c-Si 1.06 وات در هر کیلووات پیک است.

کاپر ایندیوم گالیوم سلناید



سلول خورشیدی کاپر ایندیوم گالیوم سلناید، با حدود 20 درصد، دارای بالاترین راندمان در میان مواد فیلم نازک است.

گالیوم آرسناید چند اتصالی (gallium arsenide multijunction)



سلول‌های چند اتصالی با راندمان بالا از چند فیلم نازک و با استفاده از اپیتاکسی فاز بخار تولید می‌شوند. یک سلول سه اتصالی می‌تواند از نیمه رساناهای GaAs، Ge و GalnP2 ساخته بشود که دارای بالاترین راندمان در سلول‌های خورشیدی و با میزان تا حدود 44 درصد است.

رنگ‌های جاذب نور (light-absorbing dyes) یا DSSC



سلول‌های خورشیدی رنگ مصنوعی (dye-sensitized solar cells) یا DSSC از مواد ارزان و بدون نیاز به تجهیزات پیچیده ساخته می‌شوند و بنابراین می‌توانند به صورت دست‌ساز نیز تولید شوند. این مواد از دیگر طرح‌های سلول‌های حالت جامد ارزان‌تر هستند و می‌توانند به شکل ورق‌های انعطاف‌پذیر ساخته شوند؛ البته راندمان تبدیل آن‌ها از سلول‌های فیلم نازک خوب کم‌تر است. نسبت قیمت به کارایی آن‌ها آن‌قدر بالا است که به آن‌ها امکان رقابت با تولید برق از سوخت فسیلی را می‌دهد.

سلول‌های خورشیدی نقطه کوانتومی (quantum dot solar cells) یا QDSC



سلول‌های خورشیدی نقطه کوانتومی از کریستال‌های بسیار کوچکی تشکیل شده‌اند که در زمان جذب نور نقطه‌های کوانتومی تشکیل می‌دهند. این سلول‌ها به دلیل خواص بی‌همتای خود توجه زیادی به خود جلب کرده‌اند.

سلول‌های خورشیدی ارگانیک/پلی‌مری (organic/polymer solar cells)



سلول‌های خوشیدی ارگانیک یک تکنولوژی هوشمندانه است که ادامه دهنده راه کاهش قیمت از سیلیکون فیلم نازک و بازگشت سرمایه سریع‌تر است. این سلول‌ها را می‌توان از محلول تهیه کرد که امکان فرآیند چاپ غلتکی و کاهش قیمت در تولید انبوه را فراهم می‌کنند.

سلول‌های خورشیدی ارگانیک و سلول‌های خورشیدی پلی‌مری از فیلم‌های نازک با ضخامت معمول 100 نانومتر از نیمه‌رساناهای ارگانیک دارای پلی‌مر تسکیل شده‌اند. راندمان‌های تبدیل انرژی به دست آمده توسط پلی‌مرهای رسانا نسبت به مواد غیر آلی پایین‌تر است که البته در سال‌های اخیر بسیار رشد کرده و تا مقدار 8.3 درصد نیز گزارش شده است. علاوه بر آن این سلول‌ها در کاربردهایی که انعطاف‌پذیری مکانیکی و قابلیت دور ریختن مهم باشد نیز مناسب هستند.

سلول‌های خورشیدی فیلم نازک سیلیکونی (silicon thin films)



فیلم‌های نازک سیلیکونی به وسیله رسوب‌گذاری بخار شیمیایی (chemical vapor deposition) از گاز سیلان و گاز هیدروژن تولید می‌شوند. سازندگان A-Si به دنبال قیمت‌های کم‌تر به ازای هر وات و راندمان تبدیل بالاتر هستند که هدف 0.5 دلار در هر وات در نظر گرفته شده است.

طول عمر سلول‌های خورشیدی



بیش‌تر پنل‌های خورشیدی تجاری موجود، توانایی تولید الکتریسیته برای حداقل 20 سال را دارند. وارانتی معمول داده شده توسط سازندگان پنل‌ها بیش از 90 درصد خروجی نامی برای 10 سال اول و بیش از 80 درصد برای 10 سال دوم است. از پنل‌ها انتظار کار در دوره زمانی 30 تا 35 ساله می‌رود.

 
بالا