مقاله ذخیره سازی انرژی و سلول های خورشیدی فوتوولتاییک مبتنی بر نانو ساختارها

بخشی از مقاله

چکیده - در این مقاله انرژي حرارتی خورشید به عنوان یک منبع انرژي تجدید پذیر مورد بررسی قرار گرفته شده است و ترکیبات مختلفی براي سنتز سلول هاي خورشیدي، انواع جدیدي از مواد پاك و ارزان براي تولید انرژي پیشنهاد شده که پایداري آنها بیش تر از سیلیکون است نانو ساختار هاي کربن دسته اي از این مواد هستند که می توانند عایق، نیمه رسانا، و رسانا باشند و چون خواص نوري، فیزیکی، و شیمیایی متفاوتی دارند. استفاده از این ساختار ها به عنوان الکترود در سلول هاي خورشیدي می تواند سرعت انتقال الکترون، تبدیل انرژي، و بازده این سلول ها را افزایش دهد در این راستا ساخت سلول هاي خورشیدي براي ذخیره سازي انرژي با استفاده از نانو ساختارهاي کربن مورد بررسی قرار گرفته شده است.

-1 مقدمه                 

انرژي خورشید به سبب فراوانی آن یکی از نخستین منابع انرژي در جایگزینی سوخت هاي فسیلی است. قابلیت تغییر، فراوانی و دوستدار محیط بودنش، موجب شده است که آن یکی از مناسبترین منابع انرژي تجدید پذیر به شمار آید. سلول هاي خورشیدي این انرژي را تبدیل به انرژي الکتریکی که کاربردهاي گوناگونی دارد، می کنند . کوشش در افزایش کارایی این سلول ها    مصرف سالیانه    بشریت در حدود    4/6 ژول و سعی در کاهش هزینه آنها، براي زمان هاي خیلی طولانی یکی از برنامه هاي تحقیقاتی می باشد. مدل بندي انواع ساختارهاي    است که تولید خورشید در یک ساعت است.

خورشید به طور سلول هاي خورشیدي باعث به وجود آمدن نگرشی در فیزیک آن    مداوم مولد    1/2 تریلیون وات انرژي است که بسی  و درك بهتر از روش هاي افزایش کارایی آن صورت می گردد. بزرگتر از هر منبع تولیدي دیگر چه تجدید پذیر و چه تجدید مقادیر قابل ملاحظه اي انرژي که خورشید فراهم میکند. موجب ناپذیر است. این انرژي بسیار بزرگتر از انرژي    مورد لزوم انسان  گرمایش اقیانوس ها، وقوع پدیده هاي اتمسفري و چرخه ي هاست که در حدود 13 تریلیون وات است. با پوشش دادن0/ 16  تبخیر می شود و رودخانه ها را به جریان انداخته و باعث تخریب  درصد از خشکی هاي زمین توسط سلول    هاي خورشیدي اراضی طبیعی توسط طوفان ها و گرد بادها می شود.

زمین لرزه 10درصدي می توان 20تریلیون وات انرژي که دو برابر مصرف سال 1906 سانفرانسیسکو به بزرگی7/8 ریشتر موجب رها شدن فسیلی جهان به انضمام انرژي نیروگاه هاي راکتور هاي هسته اي ژول انرژي شد که معادل انرژي تولیدي خورشید در یک متعدد است به دست آورد[1] انرژي خورشید بسیار زیاد است اما ثانیه است. مخازن نفت زمینی در حدود سه تریلیون بشکه حاوي    مقدار کمی از آن در فعالیت هاي انسانی دخالت مستقیم دارد.    

1/7 ژول انرژي است که خورشید آن را در 1/5 روز    در حدود 80 الی 85درصد از کل انرژي مصرفی ما از منابع  تولید می کند. فسیلی حاصل می شود. این منابع تجدید پذیر نیستند به سرعت در حال کاهش بوده و گازهاي گلخانه اي و سایر آلودگی هاي محیطی تولید می کنند.[2] مراقبت از محیط زیست یکی از مهمترین مسئولیت ها در استفاده و انتخاب هر منبعی از منابع انرژي ترجیحی است. سوخت هاي فسیلی حجم بزرگی از گاز هاي گلخانه اي نظیر     c وارد اتمسفر می کنند و موجب بر هم خوردگی در توازن بوم شناختی می شوند.

این آلودگی ها به سبب استفاده بیش از اندازه از سوخت هاي فسیلی به خاطر گسترش دائم احتیاجات و نیازهاي جامعه بشري، در حال افزایش هستند. راه حل این مسئله استفاده از سوخت هاي فسیلی با تفکیک و جداسازي کربن، روش فوق العاده سخت و دشوار است زیرا که فضاهاي بزرگی جهت انبار کردن گازهاي گلخانه اي حاصل مورد لزوم بوده و نگهداري آنها مسائل و مشکلات قابل توجهی ایجاد می کنند. نخست به نظر می رسد که نیروگاه هاي هسته اي انتخاب مناسبی باشد اما ساخت و نگهداري چندین هزار نیروگاه هسته اي یک گیگا واتی در سرتاسر دنیا در پاسخ دادن به 10تریلیون وات انرژي مورد لزوم جامعه نیز سوال برانگیز و بحث انگیز به نظر می رسد.

ذخایر اورانیوم این نیروگاه ها درعرض 10سال تمام می شوند و از آن به بعد باید به کارگیري آب دریاها را در مد نظر گرفت که آن نیز بسیار دشوار و تمام شدنی است. از طرف دیگر نگرش به منابع انرژي تجدیدپذیر روش ایده ال است و انرژي خورشیدي در مقایسه با سایر منابع انرژي هاي تجدیدپذیر، مناسبترین منبع انرژي به سبب خصو صیات گوناگون آن از جمله تمام نشدنی و دوستدار محیط زیست بودن آن، به شمار می رود. [1] محدودیت کمی و اتمام پذیري منابع فسیلی همچنین ما را وادار به گزینش انرژي هاي تجدید پذیر در آینده می کند. شکل1 نمودار تولید سالیانه نفت با احتساب ضریب افزایش و کاهش 2درصدي را نشان می دهد.

مشاهده می شود که این تخمین ها نشان دهنده ي شیب بزرگ کاهش پس از سال 2016 هستند و لذا نیاز به گزینش منابع جدید را مطرح میکند .[3] آشکارساز هاي فوتوولتاژي - PV - شامل یک پیوندگاهp-n می باشد. که غالبا فوتودیود نیز نامیده می شود. اگر ماده نوع n - داراي حامل هاي اکثریت الکترون - درکنار ماده نوع p - داراي حامل هاي اکثریت حفره - قرار گیرد الکترون ها و حفره هاي اضافی، در اطراف پیوندگاه این دو نوع ماده بازترکیب می شوند.

این روند بازترکیب انرژي هاي نسبی لبه ي نوارهاي رسانشی و ظرفیتی را تغییر می دهد. جریان حفره ها را الکترون ها در پیوند گاه متوقف می کند و باعث ایجاد یک میدان الکتریکی موضعی دائم درپیوند گاه می شوند. اگر یک کوانتم از تابش فرودي در منطقه ي پیوندگاه جذب و یک زوج الکترون و حفره تولید شده باشد چنانچه میدان پیوندگاه حاملان بار را پیش از اینکه بتواند دوباره بازترکیب شوند از همدیگر جدا کند آنگاه دریک مدار باز یک ولتاژ غیر صفر در دوقطبی پدیدار می شود و دریک مدار بسته جریان الکتریکی برقرار خواهد شد. هرگاه یک وسیله ي اندازه گیري ولتاژ یا جریان به مدار افزوده شود حاصلش یک آشکار ساز نوري است. آشکار سازي که ولتاژ یا جریان را بدون هر منبع ولتاژ خارجی ایجاد می کند گفته می شود که در مد فوتوولتایی کار می کند.

بازار نوشکفته سلول هاي خورشیدي درحال تبدیل به یک سرمایه گذاري بسیار سود آور میان سایر منابع درحال تکامل است و به یک رشد 41 درصدي در چهار سال گذشته دست یافته است. [4] شکل2 میزان تاسیسات سلول هاي خورشیدي در سال هاي مختلف را نشان می دهد. در هر ثانیه حدود 6 هیدروژن با کاهش جرم خالص 4 در خورشید به هلیوم تبدیل می شود که از طریق رابطه ي انیشتین به 6/3انرژي تبدیل می گردد. این انرژي اصولا به صورت تشعشع الکترو مغناطیسی در ناحیه ي فرابنفش تا مادون قرمز است [5]اگرچه خورشید روزانه 10000برابر انرژي مورد نیاز ساکنان زمین را فراهم می کند[6]، اما امروزه الکتریسیته ي خورشیدي تولیدي، تنها حدود 0/1درصد از میزان مصرف است[7]

-2 آشکار ساز هاي فوتوولتایی - PV -

مستقیم ترین راه براي تبدیل نور خورشید به الکتریسیته، استفاده از سلول هاي فوتوولتاییک است.[8] سلول هاي pvبا توجه به اساس فناوري آن ها، معمولا در وسایل نسل اول، دوم و سوم دسته بندي می شوند. حد ترمودینامیکی بازده تبدیل توان الکتریکی یک سلول pvي تک پیوندگاه - در نسل اول یا دوم - برابر%32/9است. این میزان حد شاکلی-کویزر نامیده می شود. یکی از مهمترین اهداف سلول هاي خورشیدي نسل سوم رسیدن به حد بالاتر از شاکلی-کویزر است. این هدف در سلول هاي خورشیدي نسل سوم با بهره یري از اتصالات چند گانه حاصل شده است. در حقیقت یکی از مهمترین مزایاي سلول هاي خورشیدي نسل سوم، دستیابی به روش ها و تکنیک هاي ساده تر براي ساخت سلول و بهره گیري از مواد اولیه و فرآیند هاي ساخت ارزان قیمت است.

سلول هاي فوتوولتایی یکی از منابع خوش آتیه تامین انرژي در جهان هستند. تا سال 15،2050تا 30 درصد از برق جهان به وسیله ي انرژي خورشید تامین خواهد . در حال حاضر، اغلب سیستم هاي فوتوولتایی از مونوکریستال ها یا پلی کریستال هاي سیلیکون ساخته می شوند. از جمله ترکیبات جدیدي که امروزه در ساخت سلول هاي فوتوولتایی استفاده می شوند انواع نانوساختارهاي کربن هستند[9] سلول هاي خورشیدي مانند یک دیود از اتصالات p-nوترکیب نیمه هادي هاي نوع NوP ساخته شده اند.

بر اثر حرکت الکترون ها و حفره ها - ترکیب مجدد - ، در محل اتصال یک میدان الکتریکی به وجود می آید. هرچه میدان الکتریکی قوي تر باشد Vocبزرگتري به دست می آید. در این صورت باید اختلاف تراز هاي فرمی دو نیمه هادي p,n از یکدیگر زیاد باشد. هنگامی که جذب نور خورشید اتفاق می افتد، الکترون ها به سمت لایه ي نوع Nوحفره ها به سمت لایه ي نوع Pحرکت می کنند و در محل تلاقی به هم برخورد می کنند. الکترون ها توسط حفره ها جذب می شوند و الکترون حفره ي جدد جاي آن ها را پر می کند. همین مسئله سبب به وجود آمدن جریان الکتریکی می شود . سلول خورشیدي بر پایه ي سیلیکون، سلول خوشیدي آلی وسلول خورشیدي رنگدانه اي از جمله سلول هاي خورشیدي هستند که نانو ساختار هاي کربن در آنها استفاده می شود.

سلول هاي فوتوولتایی برپایه کربن توجهات فراوانی را، هم از نظر تحقیقاتی و هم از نظر کاربردي، به خود جلب کرده اند سلول هاي خورشیدي که در ساختارشان از کربن استفاده می شود یا فقط می توانند کربن خالص باشند، یا مواد دیگري در ان ها دوپ شود که این دوپ شونده ها از نوعnوp هستند. در این مقاله به برخی از نانو ساختارهاي کربن که در ساخت سلول هاي خورشیدي مورد استفاده قرار می گیرند اشاره خواهد شد.