مقدمه
همه ی شما تا کنون عبارت صفحه های خورشیدی "Solar Panel" یا سلول خورشیدی "Solar Cell" را شنیده اید. این دو، وسایلی برای استفاده از انرژی خورشیدی هستند. برخی وسایلی که شما از آن ها استفاده می کنید، مانند ماشین حساب ها، چراغ های راهنمایی یا چراغ های روشن در اتوبان ها مثال هایی هستند که انرژی خود را از سلول خورشیدی تأمین می کنند. حتی امروزه، ایده هایی مبنی بر استفاده از این فناوری در سطح عمومی، مانند پشت بام خانه ها و تولید خانگی برق مورد توجه دولت ها و مردم قرار گرفته است. نمونه ای از این سلول ها را در شکل 1 مشاهده می کنید.
«سلول خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟» سوالی است که در این سری از مقالات می خواهیم به همراه هم پاسخ آن را دریابیم. همچنین توسعه فناوری سلول های خورشیدی به واسطه فناوری نانو را در این مقالات بررسی خواهیم نمود.
شکل1- برای تولید برق می توان سطوح مختلفی مانند پشت بام منازل را که در معرض تابش نور خورشید هستند، با استفاده از صفحات خورشیدی پوشاند.
نور خورشید و کاربردهای آن لغت Solar یک کلمه ی لاتین برای خورشید یا "Sun" است که یک منبع قدرتمند انرژی به حساب می آید. در واقع، مقداری از نور خورشید که فقط در یک ساعت به زمین می تابد، می تواند انرژی مورد نیاز زمین را برای یک سال تأمین کند! امروزه نیروگاه های خورشیدی زیادی در سرتاسر دنیا فعال هستند. البته این نیروگاه ها هنوز به دلایل اقتصادی و تکنولوژیکی گسترش پیدا نکرده اند. نمونه ای از این نیروگاه ها را در شکل 2 مشاهده می کنید.
شکل 2- نمونه ای از یک نیروگاه خورشیدی
همانگونه که در کتاب فیزیک سال اول دبیرستان آموخته اید، از انرژی خورشیدی به دو صورت می توان استفاده کرد. یکی به عنوان منبع گرما (انرژی حرارتی) و دیگری به عنوان منبع انرژی الکتریکی (الکتریسیته). هرچند استفاده از انرژی خورشیدی محدود به این دو نیست. خورشید در حقیقت یکی از منابع حیات طبیعت است. برای مثال پدیده فوتوسنتز در گیاهان، با استفاده از انرژی خورشیدی انجام شده میشود. در این فرآیند انرژی خورشید صرف انجام واکنش شیمیایی درون برگ درختان می شود. ضمن اینکه نباید فراموش کرد که در سیاراتی که از سهم کمتری از انرژی خورشید برخوردار هستند، مانند نپتون، عملاً امکان حیات وجود ندارد!
مردم برای سال های طولانی از خورشید به عنوان منبع گرمایی استفاده می کردند. برای مثال خانواده ها در یونان باستان خانه های خود را به نحوی می ساختند که بیشترین مقدار نور خورشید را در طی زمستان دریافت کند. امروزه نیز علاوه بر سیستم های گرمایش آب، این جنبه از انرژی خورشید در کاربردهایی همچون خشک کردن محصولات کشاورزی مورد استفاده قرار دارد. در صفحه های خورشیدی نیز نور خورشید صرف تولید حرارت می شود. اما بحث اصلی در سلول های خورشیدی، تولید انرژی الکتریکی از نور خورشید و در واقع پدیده ی فتوولتائیک است. هرچند در ادامه اشاره ای مختصر به سیستم های خورشیدی حرارتی هم خواهیم داشت.
سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک در واقع وسیله ای الکترونیکی است که انرژی خورشید (یعنی انرژی تابشی رسیده از خورشید) را تحت فرآیندی به نام فتوولتائیک، به الکتریسیته تبدیل می کند. در واقع، پدیده فتوولتائیک، پدیده ای است که طی آن انرژی خورشیدی به صورت "مستقیم" به انرژی الکتریسیته تبدیل می شود و معنای لغوی آن الکتریسیته یا همان جریان الکتریکی ناشی از نور خورشید است. همان طور که می دانید، جریان الکتریکی به دلیل حرکت الکترون ها درون سیم ایجاد می شود.
سلول های خورشیدی برای کاربردهای مختلفی استفاده می شوند. سلول های خورشیدی کوچک در قطعات الکترونیکی با ابعاد کوچک مانند ماشین حساب ها، سنسورها و ساعت های خانگی مورد استفاده قرار می گیرند. ماژول های خورشیدی نیز در تجهیزات عظیم تری مثل ایستگاه های فضایی موجود در مدار زمین و یا ماشین های خورشیدی استفاده می شوند. تجهیز نیروگاه های خورشیدی و تولید برق برای مناطقی که امکان برق رسانی به آن ها وجود ندارد و همچنین تأمین نیازهای الکتریکی منازل، طیف گسترده مصارف این قطعات را نشان می دهد. نمونه هایی این این کاربردها در شکل 3 نشان داده شده است.
ماژول های خورشیدی، مجموعه ای از تعداد زیادی سلول خورشیدی هستند که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.
شکل 3- برخی کاربردهای سلول های خورشیدی: الف) یک ایستگاه فضایی، ب) چراغ روشنایی در یک خیابان، ج) یک ماشین حساب، د) یک ایستگاه شارژ ماشین های خورشیدی، ه) یک ماشین خورشیدی پیشرفته
مشکلات و ویژگی های استفاده از انرژی خورشیدی
دو مشکل اصلی در استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد. مشکل اول این است که این انرژی از راه های مختلف و متغیر به زمین می رسد. در این بین امکان تغییر مقادیر آن در مکان ها و زمان های مختلف وجود دارد. برای مثال در یک نقطه از زمین، در هنگام شب، تابش خورشید متوقف می گردد. در زمستان نیز میزان تابش کمتر از تابستان است. همچنین میزان انرژی خورشیدی دریافتی توسط ساکنین زمین، بسته به عرض و طول جغرافیایی و همچنین ارتفاع از سطح زمین در هر منطقه متفاوت است. مشکل دوم این است که برای جمع آوری انرژی خورشیدی، نیاز به سطح زیادی داریم. در واقع، بر خلاف سایر ادوات الکترونیکی مانند مدارهای مجتمع (IC) که هر روزه اندازه ی آن ها کوچک تر می شود، سلول های خورشیدی ادواتی وابسته به سطح هستند و هر چه سطح بزرگتری داشته باشند، انرژی بیشتری نیز تولید می کنند.
الکتریسیته می تواند به صورت مستقیم به وسیله ادوات فتوولتائیک از انرژی خورشیدی به دست آید. دلیل اینکه بر روی مستقیم بودن این تبدیل تأکید می کنیم، از این جهت است که انرژی الکتریکی را می توان با روش های غیر مستقیم نیز از خورشید به دست آورد. برای مثال، موتورهای بخاری وجود دارد که انرژی لازم برای گرم کردن یک مایع را توسط جمع کننده های نور خورشید دریافت می کنند و آن را در یک محل مشخص متمرکز می نمایند. به این ترتیب مایع به بخار تبدیل شده و در نهایت در ژنراتور بخار، انرژی الکتریکی تولید می شود. نمونه ای از این دست نیروگاه ها را در شکل 4 مشاهده می کنید.
در مقایسه با سایر روش های تولید انرژی الکتریکی، سیستم های فتوولتائیک الکتریسیته تمیز و در دسترس را بدون مصرف هر گونه سوخت فسیلی و بدون هر گونه حرکت مکانیکی تولید می کنند. نحوه ی عملکرد سلول های خورشیدی در مقالات بعدی به تفصیل توضیح داده خواهد شد. این فرآیند به صورت خلاصه اینگونه است که جذب انرژی موجود در نور خورشید توسط یک ماده نیمه هادی منجر به تولید الکترون شده و با خروج این الکترون ها از ماده، جریان الکتریکی شکل می گیرد.
شکل4- نمونه ای از برخی نیروگاه ها ی خورشیدی که با متمرکز نمودن نور خورشید خورشید، گرمای لازم برای تولید بخار و به کار افتادن موتور و تولید الکتریسیته را تامین می کنند.
در پایان باید از این نظر نیز به سلول های خورشیدی نگاه کرد که اثرات مخرب محیط زیستی سلول های خورشیدی در مقایسه با سایر منابع انرژی مانند سوخت فسیلی و انرژی هسته ای (که حقیقتاً امروزه آلودگی های زیستی این دو محیط جزو بزرگترین دغدغه های طرفداران محیط زیست است) بسیار ناچیز است. در این سیستم ها، نه نیاز به آب برای خنک کردن سیستم است و نه محصولات جانبی در حین فرآیند تولید می شود. از طرف دیگر، یکی دیگر از مشکلات و دغدغه های اساسی دنیای امروز، پایان یافتن منابع سوخت فسیلی به عنوان مهمترین منبع فعلی انرژی دنیا است. پیش بینی ها به طور متوسط چنین می گویند که طی 50 سال آینده منابع نفت و طی 110 سال آینده منابع گاز به پایان خواهند رسید. از این رو، دسترسی به یک منبع پایان ناپذیر انرژی امری بسیار ضروری به نظر می رسد. انرژی خورشیدی، علاوه بر پایان ناپذیر بودن، منبعی است که انرژی بسیار عظیمی را در اختیار بشر می گذارد و همچنین در اکثر نقاط دنیا قابل دسترسی است و انرژی پاکی به شمار می رود. امروزه، تنها مشکلی که از توسعه گسترده این انرژی جلوگیری کرده است، هزینه تمام شده نسبتاً بالای آن است که امکان رقابت آن با سایر انرژی ها مانند هسته ای و فسیلی را هنوز ممکن نکرده است. تلاش های دانشمندان در راستای افزایش بازده و کاهش قیمت این سلول ها در کنار ابداع روش های آسان برای ساخت و تهیه این سلول ها در ابعاد بزرگ است. پیش بینی ها بیان می کنند که طی 20 سال آینده، انرژی خورشیدی از نظر اقتصادی قابل رقابت با انرژی فسیلی خواهد شد. در واقع، علاوه بر کاهش هزینه های سلول خورشیدی، انرژی فسیلی نیز روندی صعودی در قیمت ها داشته است. همین امر سبب شده است که دولت ها، برنامه ریزی های استراتژیکی را برای دسترسی به این منبع انرژی انجام دهند و گروه های زیادی را برای دسترسی به این هدف مأمور کرده اند. در نهایت....
تا اینجا سعی شد مقدمه ای بر سلول های خورشیدی مطرح شود و اساساً لزوم توجه به این تکنولوژی و تحقیق و گسترش آن مورد بحث قرار گیرد. در ادامه مطالب، به صورت جزئی، نحوه عملکرد و انواع سلول های خورشیدی به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.
همان طور که در مقاله قبل گفته شد، سلول های خورشیدی، وسایلی برای تبدیل انرژی تابیده شده از خورشید به زمین هستند. قبل از اینکه به بررسی مکانیزم عملکرد سلول های خورشیدی بپردازیم، لازم است کمی در رابطه با ماهیت و شرایط انرژی خورشیدی و امواج رسیده از خورشید به سطح زمین اطلاعاتی کسب کنیم. در این قسمت، با هم مروری بر ویژگی های آنچه از خورشید به زمین می رسد، خواهیم داشت.
انرژی خورشید و راه های انتقال آن به زمین
همان طور که می دانید، یکی از راه های انتقال انرژی حرارتی، تابش است. یک جسم با دمای معین، می تواند انرژی خود را از طریق تابش به سایر اجسام منتقل کند. مثال روزمره این پدیده، گرم شدن بیش از حد فضای اطراف یک لامپ پر مصرف (!!) است. بخاری های برقی که با استفاده از یک المنت، موجب گرم شدن محیط اطراف می شوند، گرما را از طریق مکانیزم تابش به اطراف منتقل می کنند.
خورشید کره ای متشکل از گازهای داغ است. انرژی خورشید با واکنش های هم جوشی هسته ای رخ داده در مرکز آن ایجاد می شود. تخمین زده می شود که دمای مرکز خورشید در حدود 20 میلیون درجه باشد. بر اساس آنچه در درس فیزیک مطالعه کرده اید، گرما همیشه از جسم گرم تر به جسم سرد تر منتقل می شود. در فضای منظومه شمسی، خورشید جسم گرم تر محسوب می شود و فضای پیرامون آن جسم سردتر؛ لذا حرارت از خورشید به محیط اطراف آن منتقل می شود. به موجب این امر دمای سطح خورشید به حوالی 6000[SUP]o[/SUP]C می رسد. در واقع سطح خورشید در تعادل با فضای سردتر اطراف آن است و بنابراین دمای کمتری خواهد داشت. انرژی حرارتی خورشید، از طریق تابش امواج الکترومغناطیسی منتشر می شوند. طبق قوانین فیزیک، میزان انرژی حرارتی تابیده شده از خورشید بر واحد زمان، متناسب با توان چهارم دمای آن است. بنابراین خورشید مقدار بسیار زیادی تابش الکترومغناطیس دارد. مقدار توان تابیده شده از سطح خورشید برابر با 10[SUP]23[/SUP] ×3.83 یا به عبارتی دیگر 383000000000000000000000000W (!!!!) است. تصویری از خورشید که واکنش های هم جوشی هسته ای در آن در حال رخ دادن است، در شکل 1 نشان داده شده است.
هم جوشی هسته ای یکی از انواع واکنش های هسته ای که می تواند انرژی بسیار زیادی تولید کند.
شکل1- تصویری از خورشید و اثرات فرآیندهای هم جوشی رخ داده در آن
همانگونه که گفته شد، انرژی حرارتی جسم داغی مانند خورشید، از طریق امواج الکترومغناطیسی (مانند نور مرئی و یا امواج فرابنفش) منتقل می شود. هر موج الکترومغناطیس مشخصه های مخصوص به خود را دارد. یکی از مهمترین ویژگی های یک موج، طول موج آن است. همان طور که می دانید، طول موج عبارتست از فاصله بین دو قله متوالی موج. طبق آنچه در فیزیک خوانده اید، هر چه انرژی یک موج بیشتر باشد، طول موج آن کمتر خواهد بود. امواج تولید شده در سطح خورشید، از طریق تابش، انرژی خورشید را به سایر اجسام و کرات اطراف آن منتقل می کنند. این امواج الکترومغناطیسی سرعت بسیار زیادی (برابر با سرعت نور) دارند. این امواج بر خلاف امواج صوتی یا اکوستیک، می توانند در خلاء نیز منتشر شوند. در نور خورشید گستره ای از امواج الکترومغناطیس در نواحی فرابنفش، مرئی و فروسرخ وجود دارد. برای مثال، اگر در نقطه ای خاص به مساحت یک متر مربع از زمین میزان انرژی کل رسیده از خورشید 1004w در هر متر مربع باشد، 527w آن فرو سرخ، 445w آن مرئی و 32w آن فرابنفش است.
پارامترهای مؤثر بر طیف نور خورشید
در صورتیکه از تغییرات ناشی از گردش زمین به دور خورشید در مدار خاص آن صرف نظر کنیم، نشان داده شده است که میزان توان تابشی خارج از اتمسفر زمین، که با D0 نشان داده می شود، برابر با 1.353kW/m[SUP]2[/SUP] است. این پارامتر به عنوان ثابت خورشیدی شناخته می شود. به عبارت دیگر، ثابت خورشیدی، مقدار میانگین نور خورشید در بالای اتمسفر زمین است.
گفته می شود که میزان انرژی رسیده به سطح زمین، حداقل %15 کمتر از انرژی خورشیدی موجود در بالای اتمسفر است. جزئی از این میزان تابش، در حین عبور از اتمسفر زمین و قبل از رسیدن به سطح زمین، پراکنده و یا جذب می شود. نحوه ی توزیع انرژی رسیده به بالای جو زمین در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل2 – نحوه توزیع نور خورشیده رسیده به بالای جو زمین عوامل متعددی بر میزان انرژی رسیده از خورشید به سطح زمین اثرگذار هستند. این عوامل عبارتند از: 1) بخار آب و سایر گازهای موجود در هوا می توانند نور خورشید را در بخش های مختلف از طیف آن جذب کنند. امواجی که در ناحیه فروسرخ طیف خورشید قرار دارند توسط آب و دی اکسید کربن موجود در هوا جذب می شوند. در حالی که جذب امواج مربوط به ناحیه مرئی طیف خورشید، توسط اکسیژن و جذب امواج مربوط به ناحیه فرابنفش طیف خورشید توسط ترکیب اوزون رخ می دهد.
2) ذرات کوچک و همچنین قطرات موجود در هوا می توانند به صورت قابل توجهی نور خورشید را جذب کرده و یا باعث پراکنده شدن و برگشتن آن به فضا شوند.
3) ابرها از تعداد بسیار زیادی قطرات کوچک آب یا یخ تشکیل شده اند و می توانند نور خورشید را جذب یا پراکنده کنند.
4) چرخش زمین باعث می شود که نور خورشید مسیر طولانی تری نسبت به حالت تابش عمود را از میان اتمسفر طی کند. در واقع بسته به زاویه ای که نور وارد اتمسفر می شود، برای رسیدن به سطح زمین، باید مسیر متفاوتی را از درون اتمسفر عبور کند. این امر باعث می شود که این پرتوها مقادیر متفاوتی از عوامل جذب کننده یا پراکنده کننده نور را بر سر راه خود مشاهده کنند. این امر موجب می شود که مقدار نوری که به زمین می رسد، متفاوت باشد.
همانگونه که اشاره شد، میزان انرژی تابیده شده از خورشید به ازای هر طول موج، مقدار متفاوتی است. برای مثال این میزان برای طول موجهای محدوده مرئی (تقریبا بین 500 تا 750nm) بسیار بیشتر از محدوده بین طول موجهای 1500 تا 1750nm است. علاوه بر این، میزان انرژی تابیده شده از خورشید (در سطح خورشید) با میزان انرژی رسیده از خورشید به بالای اتمسفر زمین و همچنین با میزان انرژی رسیده از خورشید به سطح دریاها نیز متفاوت است. همانگونه که گفته شد، مولکولهای موجود در اتمسفر زمین میتوانند بخشهایی از نور خورشید را جذب نمایند. به منظور بررسی دقیقتر، تمام این تفاوتها را میتوان با استفاده از یک نمودار به نام «طیف توزیع انرژی خورشید» نشان داد. شکل 3 طیف توزیع انرژی خورشید را نشان میدهد. محور عمودی این نمودار توان بر واحد سطح به ازای طول موج و محور افقی این نمودار نشان دهنده طول موج است. همان طور که می دانید انرژی هر موج را می توان بر حسب طول موج آن بیان کرد. در این شکل، طول موج هایی که برخی ترکیبات موجود در اتمسفر باعث جذب نور خورشید و افت آن می شوند، نشان داده شده است. برای مثال، در طول موج حدود 750nm، عامل افت شدت نور خورشید، ترکیب O2 است. در شرایط جوی مختلف، نوع این ترکیبات و میزان هریک در اتمسفر متفاوت خواهد بود. همچنین وجود ابر و سایر پدیده های آب و هوایی نیز می تواند در تغییر طیف خورشید رسیده به زمین اثر گذار باشد. همچنین بسته به اینکه در چه ساعتی از شبانه روز هستیم، ممکن است بیشترین شدت طیف خورشید یا کمترین آن (یعنی صفر در شب!) را داشته باشیم.
در رابطه با میزان نور خورشید رسیده به زمین، عبارتی تحت عنوان AM وجود دارد که مخفف کلمه Air Mass و یا جرم هوا است و بیانگر زاویه تابشی خورشید به زمین است و به نوعی میزان انرژی تابیده شده به زمین را بیان می کند. مقدار AM0، بیان کننده میزان تابش رسیده به جسم خارج از جو زمین است که برای ماهواره هایی که خارج جو زمین هستند، کاربرد دارد. مقدار AM1 بیان کننده میزان تابشی است که به صورت عمودی بر زمین می تابد و عبارت AM1.5 میزان استاندارد تابش است که در عمل 1.5برابر AM1 است. نشان داده می شود که شرایط تابشی AM1.5 در حالتی رخ می دهد که زاویه تابش خورشید با محور عمودی زمین 8.41[SUP]o[/SUP] باشد.
شکل3- ط901یف توزیع انرژی خورشید
برای تحقیقات، توسعه و بازاریابی سلول های خورشیدی، یک طیف استاندارد مورد نیاز است. زیرا طیف واقعی رسیده به زمین به دلیل پارامترهای مختلفی چون آب و هوا، تغییرات فصل، زمان روز و موقعیت تغییر می کند. داشتن یک طیف استاندارد، خواص اندازه گیری شده در سلول های مختلف را با یکدیگر قابل مقایسه می کند و امکان داوری بین نتایج گروه های مختلف تحقیقاتی را فراهم می سازد؛ زیرا همه سلول ها، تحت شرایط یکسان تابشی قرار می گیرند. به همین دلیل، برای فتوولتائیک های سطح زمین، شرایط استاندارد جهانی AM1.5 به صورت قراردادی مورد توافق قرار گرفته است. در شرایط آزمایشگاهی و تحقیقاتی، شبیه سازهای انرژی خورشیدی وجود دارند که با استفاده از لامپ هایی که توسط فیلترهای مشخص، خروجی کنترل شده دارند، این شرایط تابشی را ایجاد می کنند.
در نهایت....
در این مقاله، مروری بر انرژی خورشید، مکانیزم تولید و راه های انتقال آن داشتیم. همچنین طیف خورشید را در شرایط مختلف بررسی کرده و عوامل مهم اثر گذار بر روی شدت نور خورشید را مطالعه نمودیم. در نهایت مبنایی را برای قابل مقایسه شدن تحقیقات صورت گرفته بر روی سلول های خورشیدی معرفی کردیم. این معیار بیانگر یک شدت معین از طیف خورشید در شرایط استاندارد است. در مقالههای بعدی، مکانیزم کارکرد سلولهای خورشیدی را مورد توجه قرار خواهیم داد.
مقدمه همانطور که در قسمت اول مقاله فناوریهای نانومقیاس-نانوالکترونیک خواندهاید، مواد از نظر خواص هدایت الکتریکی، به سه دسته رسانا، نیمهرسانا و نارسانا تقسیمبندی میشوند. در سلولهای خورشیدی، ما نیاز به استفاده از مواد نیمهرسانا داریم. مواد نیمهرسانا موادی هستند که گاف انرژی آنها کمتر از گاف انرژی مواد نارسانا است. بنابراین اگر بتوان انرژی مورد نیاز را برای الکترونها تأمین کرد، الکترونها میتوانند از سد انرژی ناشی از گاف عبور کرده و به تراز هدایت بروند. در مواد رسانا، عملاً این گاف انرژی وجود ندارد و الکترونها به راحتی میتوانند وارد تراز بالایی شده و در رسانش ماده همکاری کنند. اکنون سوال این است که چرا برای تولید جریان الکتریکی فقط مواد نیمهرسانا قابل استفاده هستند؟
تولید الکترون و حفره
به منظور تولید جریان الکتریکی، به الکترونها نیاز داریم. در واقع، باید بتوانیم تعدادی الکترون را تولید کرده و آنها را در یک سیم یا مدار به حرکت درآوریم. پس دو شرط لازم برای تولید جریان الکتریکی عبارتند از: اول تولید الکترون و دوم به حرکت در آوردن الکترون تولید شده.
مواد رسانا به خودی خود تعداد بسیار زیادی الکترون آزاد دارند و شرط اول را به خوبی مهیا میکنند. برای تولید الکترون در مواد نیمهرسانا و نارسانا، لازم است شرایطی فراهم شود که الکترونهای تراز ظرفیت بتوانند بر سد پتانسیل ناشی از گاف انرژی غلبه کرده و خود را به تراز هدایت ماده برسانند. در این صورت، این الکترونها میتوانند در هدایت الکتریکی ماده نقش ایفا کنند. برای غلبه بر این سد انرژی، باید به ماده انرژی بدهیم. این انرژی میتواند به شکل گرما یا امواج الکترومغناطیسی باشد. همچنین امواج الکترومغناطیسی نیز دارای انرژی هستند. در مقاله قبل دیدیم که انرژی امواج الکترومغناطیسی بر حسب طول موج آنها مطابق با رابطه زیر قابل محاسبه است:
رابطه 1
در این رابطه، E انرژی موج (h) , (j)یک عدد ثابت به نام «ثابت پلانک»، c سرعت نور (m/s) و λ طول موج نور (m) است. همان طور که در این رابطه مشاهده میکنید، انرژی هر موج، با طول موج آن رابطه عکس دارد.
پرسش: با توجه به مطالبی که تاکنون آموختهاید، تلاش کنید تا واحدی برای «ثابت پلانک» بیابید. برای این کار میتوانید از رابطه 1 استفاده نمایید. آیا میتوانید ثابت پلانک را توصیف کنید؟
یکی دیگر از راههای تأمین انرژی مورد نیاز الکترونهای تراز ظرفیت برای رسیدن به تراز هدایت و غلبه بر سد انرژی، استفاده از نور خورشید است که گسترهای از خانواده امواج الکترومغناطیسی را در بر میگیرد. طبق رابطه بالا، اگر سد پتانسیل خیلی بزرگ باشد (مانند مواد نارسانا)، برای تأمین انرژی غلبه بر سد، نیاز به طول موجهای کوچکتر داریم؛ در حالیکه در مواد نیمهرسانا، این سد انرژی کوچکتر است و با استفاده از امواج با طول موجهای بزرگتر میتوان بر این انرژی غلبه کرد.
واحد انرژی در بررسی ساختار الکترونی مواد
واحد انرژی در سیستم یکاهای بین المللی SI، ژول (J) است. این واحد انرژی برای بررسی ساختار الکترونی مواد، واحد بسیار بزرگی است و نیاز داریم از واحدی کوچکتر استفاده کنیم. واحد جایگزین، واحدی با عنوان الکترون-ولت با نماد eV است که بیانگر انرژی لازم برای اعمال اختلاف پتانسیل یک ولت به یک الکترون است. البته قبلا در مقاله دوم از مجموعه مقالات میکروسکوپهای الکترونی عبوری با عنوان «چگونه یک باریکه الکترونی ایجاد میشود؟» با این مفهوم آشنا شدهایم. در فیزیک دبیرستان دیدیم که انرژی الکتریکی از رابطه E=qV به دست می آید. در این رابطه q بار الکتریکی و V اختلاف پتانسیل الکتریکی است. بنابراین برای تبدیل این دو واحد میتوان از رابطه زیر استفاده نمود:
رابطه 2
پرسش: آیا میتوانید رابطه 2 را توصیف نمایید؟ برای این کار میتوانید شرایط یک آزمایش فیزیکی بر روی یک الکترون قرار گرفته در یک میدان الکتریکی را متصور شوید.
همان طور که مشاهده میکنید، واحد eV بسیار کوچکتر از واحد ژول است. این واحد برای استفاده در مباحث مربوط به نیمهرساناها و سلولهای خورشیدی مناسب است. گاف انرژی برای مواد نیمهرسانا کمتر از eV 4-3 و برای مواد نارسانا بیشتر از این مقدار است. از این به بعد، برای نمایش بزرگی انرژی، از واحد eV استفاده میکنیم. با این توضیح، میتوان رابطه انرژی هر موج را به صورت زیر بازنویسی کرد:
رابطه 3
با توجه به اینکه در محدوده طول موجهای مرئی و UV طول موجها از مرتبه چند صد و چند ده نانومتر هستند، رابطه 3 برای محاسبه انرژی بر حسب eV بسیار مناسب است.
پرسش: آیا میتوانید رابطه 3 را با استفاده از رابطه 1 به دست آورید؟
لزوم استفاده از نیمهرساناها برای تولید الکترون و حفره
رابطه 3 را میتوان برای محاسبه انرژی هر موج مشخص به کار برد. با استفاده از این رابطه مشخص می شود که انرژی نور مرئی خورشید که سهم عمده نور خورشید رسیده به سطح زمین را تشکیل می دهد، بین 1.7eV تا 3.1eV است؛ زیرا طول موج ناحیه مرئی خورشید در محدوده nm400-300 است. در مواد عایق، برای جبران انرژی گاف به طول موج های بسیار کمتری از نور مرئی نیاز داریم. بنابراین استفاده از مواد عایق در سلولهای خورشیدی به عنوان تولید کننده زوج الکترون-حفره امکان پذیر نیست. با توجه به این توضیحات؛ برای استفاده در سلولهای خورشیدی، مواد نارسانا امکان تولید الکترون و ایجاد جریان را ندارند و برای این منظور مناسب نیستند. البته اگر موجهایی با انرژی بسیار بالاتر از نورهای مرئی مورد استفاده قرار گیرند، مواد عایق نیز امکان تولید الکترون و حفره دارند؛ ولی در سلولهای خورشیدی، قرار است از نور خورشید استفاده کنیم که بیشترین شدت آن بر روی زمین در ناحیه مرئی طیف نور است.
بر اساس آنچه به عنوان شرط دوم استفاده از یک ماده در سلول خورشیدی بیان شد، برای استفاده از الکترونهای تولید شده، لازم است که یک اختلاف پتانسیل بین الکترونها ایجاد شود. بنابراین فلزات علیرغم اینکه به خودی خود الکترونهای آزاد بسیار زیادی را در اختیار ما قرار میدهند، نمیتوانند شرط دوم تولید جریان را مهیا نمایند. رساناها فقط در مواردی استفاده می شوند بخواهیم با اعمال یک اختلاف پتانسیل الکتریکی، تعدادی الکترون از جایی به جای دیگر منتقل کنیم. در این شرایط رساناها به دلیل تعداد قابل توجه الکترون آزاد (الکترونهایی که در تراز آخر اتم وجود دارند)، به راحتی این جریان الکترونها منتقل میکنند. به عبارت دیگر، با استفاده از فلزات نمیتوان پتانسیل داخلی در سیستم ایجاد کرد و نیاز به ایجاد یک اختلاف پتانسیل بیرونی برای انتقال حاملهای آزاد داریم. ولی در نیمهرساناها، به دلیل فاصله ترازهای انرژی از یکدیگر، با استفاده از یک سیستم چندلایهای، میتوان یک پتانسیل داخلی در سیستم ایجاد کرد و باعث جدا شدن الکترونها و حفرهها از یکدیگر شد. در این شرایط الکترونها به سمت الکترود مثبت و حفرهها به سمت الکترود منفی میروند. در مقالههای بعد، و با آشنا شدن با برخی ساختارهای مرسوم در سلولهای خورشیدی، این موارد با جزئیات بیشتر مور بحث قرار خواهند گرفت.
پرسش: در این مقاله لزوم استفاده از مواد نیمه رسانا برای تولید الکترون مورد بحث قرار گرفت. آیا میتوانید ارتباط بین مواد نیمهرسانا و سلول خورشیدی را توصیف نمایید؟
ارتباط بین نیمهرساناها و سلولهای خورشیدی
در سلولهای خورشیدی، برای تولید الکترون و در نتیجه ایجاد جریان، از مواد نیمهرسانا استفاده می شود. در واقع، قلب یک سلول خورشیدی، یک ماده نیمهرسانا است که میتواند با دریافت نور خورشید، الکترون تولید نماید. در فیزیک کوانتوم گفته میشود که نور خورشید شامل بستههای انرژی است. در واقع فرض میشود که انرژی، به صورت بستههای مجزا و جداگانه منتقل میشود. این بستههای جداگانه، فوتون نامیده میشوند. میتوان اینگونه فرض کرد که یک باریکه نور خورشید، شامل تعداد بسیار زیادی تک موج است که هر کدام از آنها را میتوان معادل یک بسته انرژی یا فوتون فرض کرد. انرژی هر فوتون، بر اساس همان رابطه انرژی موج که قبلا به آن اشاره شد، مشخص میشود. زیرا هر فوتون مانند یک موج، دارای طول موج معین است. پس از برخورد فوتون با ماده نیمهرسانا، انرژی فوتون به الکترون داده میشود. اگر انرژی فوتون برابر یا بیشتر از انرژی سد پتانسیل یا همان گاف انرژی باشد، الکترون میتواند بر سد انرژی گاف غلبه کرده و خود را به تراز هدایت ماده برساند. این پدیده در شکل 1 نشان داده شده است. همان طور که در مقالات نانوالکترونیک خواندهاید، به محض اینکه الکترون از تراز ظرفیت ماده جدا شده و به سمت تراز هدایت میرود، به جای آن یک حفره ایجاد میشود. مادامی که نور خورشید در حال برخورد به ماده نیمهرسانا است، الکترون تولید شده و به تراز هدایت ماده میرود. مشابه این پدیده را در زندگی روزمره خود بسیار دیدهایم. برای مثال، توپی را در نظر بگیرید که در حالت طبیعی خود تمایلی به بالا رفتن ندارد. پرتاب نمودن این توپ به ارتفاع بالاتر از دیدگاه «انرژی» معادل این است که بخواهید آن را از سطح انرژی پتانسیل گرانشی پایینتر (ارتفاع کمتر) به سطح انرژی پتانسیل گرانشی بالاتر (ارتفاع بالاتر) منتقل نمایید. بنابراین اگر بخواهید به نحوی توپ را به بالا پرتاب کنید، باید مقدار مناسبی انرژی به توپ بدهید تا بتواند بر سد پتانسل گرانشی زمین غلبه کرده و به بالا برود؛ مثلاً توپ را شوت کنید! پس از اینکه توپ بالا رفت و به ارتفاع مورد نظر رسید، چون این سطح انرژی برای توپ غیرتعادلی است، توپ برای رسیدن به تعادل، دوباره به پایین بر میگردد. در واقع توپ تمایل دارد با کاهش انرژی پتانسیل خود، به شرایط تعادلی اولیهاش برگردد. بنابراین به پایین سقوط میکند.
شکل1- الکترون (گوی آبی رنگ) در اثر جذب انرژی فوتون به تراز بالایی می رود و یک حفره (گوی سفیدرنگ) در تراز پایینی ایجاد می شود. مشابه این اتفاق برای الکترونها هم رخ میدهد. پس از اینکه الکترون با دریافت انرژی بر سد پتانسیل الکتریکی گاف غلبه کرد و به تراز هدایت رفت، هیچ تمایلی به باقی ماندن در آن ندارد و به سرعت میخواهد به تراز ظرفیت برگشته تا به سطح پایدار برسد. اگر این اتفاق رخ دهد، دیگر نمیتوان از الکترون استفاده کرد و در نتیجه، امکان تولید هیچ جریانی وجود ندارد. پس باید شرایطی برای الکترون ایجاد کرد که این اتفاق رخ ندهد.
پرسش: چگونه میتوانیم جلوی بازگشت الکترون تهییج شده را به نوار ظرفیت بگیریم و از بازترکیب آن با حفره ایجاد شده در نوار ظرفیت جلوگیری کنیم؟ آیا میتوانید ساز و کاری را برای این هدف پیشنهاد دهید؟
در نهایت...
در این مقاله، مقدماتی از ساز و کار عملکرد سلولهای خورشیدی را به عنوان قطعات الکترونیکی با هم مرور کردیم. آموختیم که قلب یک سلول خورشیدی، یک ماده نیمهرسانا است که با جذب نور خورشید با طول موجهای مناسب، الکترون و حفره تولید میکند. در مقاله بعدی بقیه مباحث مربوط به ساز و کار عملکرد سلولهای خورشیدی مورد بحث قرار خواهند گرفت. پس از آن به بحث و بررسی پیرامون ساختارهای مرسوم در سلولهای خورشیدی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، خواهیم پرداخت.