مقاله دانش و صنعت کاربرد سلول های خورشیدی

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه، تأمین انرژی مورد نیاز بشر توسط منابع گوناگونی انجام می شود که بخش عمده ای از آن را سوخت های فسیلی مانند نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی تشکیل می دهد. بنابراین، گسترش منابع انرژی متنوع و تجدیدپذیر برای کاهش نشر کربن دی اکسید، متان و دیگر مواد مضر امری ضروری است. خورشید یکی از منابع تأمین انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست محیطی است که از دیرباز به روش های گوناگون مورد استفاده ی بشر قرار گرفته است. در سال های اخیر، استفاده از این منبع انرژی باعث به وجود آمدن کوره ها و سلول های خورشیدی مبدل انرژی شده است. سلول خورشیدی، وسیله ای است که انرژی خورشید را به وسیله ی اثر فوتوولتائیک - تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته - و بدون اتصال به منبع ولتاژ خارجی به برق تبدیل می کند. سلول های خورشیدی به طور کلی به دو دسته -1 متداول - 2 حساس شده با رنگ وپلیمری تقسیم می شوند. در این مقاله سعی براین میباشد با معرفی سلول های خورشیدی به عنوان یک انرژی پاک وتجدیدپذیر در جهت کاربرد بیشتر این انرژی نو قدم مثبتی برداشته شود .

واژههای کلیدی: الکترون ، سلولهای خورشیدی آلی معدنی ، فتون

-1 مقدمه

رشد مصرف جهانی انرژی در قرن اخیر و همراه با آن افزایش انتشار گازهای گلخانهای، با آلودگی بیش از پیش محیط زیست و خسارات جبرانناپذیر برای منابع حیاتی همراه بوده است. به منظور کاهش اتکا جهانی به منابع طبیعی پایانپذیر و سوختهای مخرب محیط زیست، تلاشهای علمی فراوانی برای کاهش هزینههای تولید انرژی از منابع تجدید پذیر صورت گرفته است. از جمله، تلاش برای تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید، که با استفاده از خاصیت ذاتی نیمه رساناها انجام شده است. نخستین سلولهای خورشیدی بر پایه نیمه رساناها، که بازده آنها به بیش از 10% میرسید در سالهای 1950-1960 ساخته شدند. هم اکنون 85-90% قطعات فوتوولتایی خورشیدی در سراسر جهان بر پایه قرصهای نازک بلوری سیلیکون ساخته میشوند. امروزه استفاده از نیمه رساناها تحول عظیمی در صنایع اپتیکی و الکترونیکی بوجود آورده است .

امروزه، تأمین انرژی مورد نیاز بشر توسط منابع گوناگونی انجام می شود که بخش عمده ای از آن را سوخت_ های فسیلی مانند نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی تشکیل می دهد. بنابراین، گسترش منابع انرژی متنوع و تجدیدپذیر برای کاهش نشر کربن دی اکسید، متان و دیگر مواد مضر امری ضروری است. خورشید یکی از منابع تأمین انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست محیطی است که از دیرباز به روش های گوناگون مورد استفاده ی بشر قرار گرفته است. در سال های اخیر، استفاده از این منبع انرژی باعث به وجود آمدن کوره ها و سلول های خورشیدی مبدل انرژی شده است. سلول خورشیدی، وسیله ای است که انرژی خورشید را به وسیله ی اثر فوتوولتائیک - تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته - و بدون اتصال به منبع ولتاژ خارجی به برق تبدیل می کند .[1]

-2طیف خورشید و فوتونها - - Photons

مشاهده رنگهای طیف نشان میدهد که نور خورشید میتواند به رنگهای مختلفی تقسیم شود. همچنین، استفاده از خطوط موازی بسیار نزدیک، به عنوان توری پراش، نشان میدهد که رنگها میتوانند با فاصله خطوط مرتبط باشند. بدین معنی که طول موجی مربوط به هر رنگ وجود دارد. از این رو نور یک موج الکترومغناطیسی است و میتوان یک طول موج به آن نسبت داد. از سوی دیگر، با مشاهده پدیدههایی چون اثر فوتوالکتریک انشتین توضیح داد که نور به صورت بستههای کوچک انرژی حرکت میکند، که مانند ذره رفتار میکنند و فوتون نامیده میشوند. در شکل - - 1 طیف خورشیدی نشان داده شده است .[2] در یک سلول خورشیدی، نیروی الکتریکی در نتیجه جذب فوتون، تولید جفتهای الکترون- حفره Electron- - - hole و عبور آن ها از یک ولتاژ، بوجود میآید . نیمهرساناها به طور ذاتی، یک انرژی جذب آستانه دارند که با آن ولتاژی که الکترون در نیمهرسانا میبیند، تعیین میشود.

برای مثال در شکل - - 1 انرژی آستانه جذب برای سیلیکون eV1,1 است که مساوی با 1,1 میکرون میباشد. فوتونهایی با انرژی کمتر از eV1,1 جذب نمیشوند و انرژی خورشید با طول موج بزرگتر از 1,1 میکرون تلف میشود.پدیدهی فوتوولتائیک فقط با برخی از طول موج ها ایجاد می شود. این به آن دلیل است که بسته های نور - فوتون ها - باید یک حداقل انرژی برای برانگیختن الکترون های ماده داشته باشند. بخشی از فوتون ها که انرژی کافی برای برانگیختن الکترون در مولکول یا نیمه رسانا را نداشته باشند، توسط ماده فوتوولتاییک جذب نمی شوند. از سوی دیگر، اگر انرژی فوتون بیشتر از میزان انرژی لازم برای برانگیختن الکترون باشد، انرژی اضافی هدر می رود. این دو پدیده باعث می شود که %70 از انرژی خورشید بدون مصرف باقی بماند .[3] از جمله کاربردهای سلول های خوشیدی می توان به موارد زیر اشاره نمود :[4]

•تأمین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی

•تأمین انرژی لازم برای دستگاه هایی که نیاز به ولتاژهای کمی دارند - مانند ماشین حساب و ساعت -

•تهیه ی برق شهر توسط نیروگاه های فوتوولتائیک

•تأمین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق های کوچک

-3 خواص اساسی نیمه رساناها

به منظور بوجود آوردن نیروی الکتریکی، یک سلول خورشیدی نیاز به تولید جریان و ولتاژ دارد. تولید جریان نیازمند حاملهای بار متحرک است و تولید ولتاژ به یک گاف بین ترازهای انرژی الکترونی نیاز دارد. فلزات حامل بار آزاد و عایقها گاف نواری بین ترازهای انرژی الکترونی دارند، اما نیمهرساناها هر دو خصوصیت را باهم دارند. برای افزایش بازده تبدیل سلول، بایستی تفکیک مؤثر بار صورت گیرد، که وابسته به عواملی مانند طول پخش الکترونها و حفرهها میباشد.[6]از خواص اساسی نیمهرساناها می توان به :

•ساختار نواری

•گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمهرساناها

•انتقال حامل در نیمهرسانا

•تحرک - Mobility -

•اثر فوتوولتایی

•بازترکیب - Recombination -

برای یک سلول خورشیدی فرآیندهای تولید الکترونها و حفرهها و بازترکیب آنها از بیشترین اهمیت برخوردار است، از این رو آنها را مورد بررسی قرار میدهیم.

-1-3 نیمهرساناهای ذاتی و غیرذاتی

هنگامیکه الکترونها و حفرههای تولید شده در اثر ناخالصی در نیمهرسانا، بسیار کمتر از الکترونها و حفرههای تولید شده گرمایی باشد، آن را نیمه رسانای ذاتی - - intrinsic semiconductors مینامیم. در نیمهرساناها گاف نواری در محدوده -3 0/5 است، که منجر به خلق الکترونها در نوار رسانش و حفرهها در نوار ظرفیت میشود. در نیمه رساناهای ذاتی که الکترونها و حفرههای تولید شده در اثر ناخالصی ، بسیار کمتر از الکترونها و حفرههای تولید شده گرمایی هستند، تراز فرمی نزدیک به میانه گاف نواری قرار میگیرد . در نیمهرساناهای غیر ذاتی که الکترونها و حفرههای تولید شده در اثر ناخالصی غیر قابل چشمپوشی میباشند، سطح فرمی بوسیله تراکم اتمهای دهنده یا پذیرنده کنترل میشود.