مقاله فناوری‌های نوین سیستم‌های فتوولتاییک

بخشی از مقاله

چکیده

فناوري ساخت سلول هاي خورشیدي در سه نسل دسته بندي میشود. در این مقاله با مروري بر فناوري سیستم هاي فتوولتاییک نسل اول و دوم به تشریح فناوريهاي فتوولتاییک نسل سوم و آخرین دستاوردهاي سیستم هاي فتوولتاییک میپردازیم. سلول هاي خورشیدي مبتنی بر مواد آلی، سلولهاي خورشیدي با فناوري فتوولتاییک متمرکز و به ویژه پیشرفت هاي حاصل شده در استفاده از انواع سلولهاي خورشیدي مبتنی بر نقاط کوانتومی شامل سلول هاي خورشیدي شاتکی، پیوند ناهمگن تهی شده، جاذب بسیار نازك، پیوند ناهمگن توده اي - پلیمر - و سلول هاي حساس شده با نقطه کوانتومی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

.1 مقدمه

بیشتر اتمهاي خورشید، مانند اغلب ستارگان، اتمهاي عنصر شیمیایی هیدروژن میباشند. بعد از هیدروژن، عنصر هلیوم در خورشید بسیار یافت میشود و بقیه جرم خورشید از اتمهاي هفت عنصر دیگر تشکیل شده است.در هر ثانیه حدود Kg١٠١١۶ هیدروژن، با کاهش جرم خالص Kg ١٠٣۴، در خورشید به هلیوم تبدیل میشود که از طریق رابطه انیشتین - ٢ Emc - به J ١٠٢٠۶/٣انرژي تبدیل میشود.این انرژي اصولاً به صورت تشعشع الکترومغناطیسی در ناحیه فرابنفش تا مادون قرمز میباشد. به دلیل بازتاب، تفرق و جذب توسط گازها و ذرات معلق در جو تنها %47 از این انرژي به سطح زمین میرسد.اگرچه خورشید روزانه 10000 برابر انرژي مورد نیاز ساکنان زمین را فراهم میکند .[8] ، اما امروزه الکتریسیته خورشیدي تولیدي حدود ./1 درصد از میزان مصرف است.

ایران با داشتن حدود 300 روز آفتابی در سال در بیش از دو سوم مناطق و متوسط تابش 4/5-5/5 کیلووات ساعت بر متر مربع در روز جزو بهترین کشورهاي دنیا در زمینه پتانسیل انرژي خورشیدي میباشد. با توجه به استانداردهاي بینالمللی اگر میانگین انرژي تابشی خورشید در روز بالاتر از3/5 کیلووات ساعت بر متر مربع باشد استفاده از مدلهاي انرژي خورشیدي نظیر سیستمهاي فتوولتاییک بسیار اقتصادي و مقرون به صرفه است.

2 سیستمهاي فتوولتاییک

کشف اثر فوتوولتایی - pv - به سال 1839 برمیگردد، اما توسعه و کاربردي شدن آن به کندي صورت گرفته است. در سال 1954 چاپین - Chapin - و همکارانش در آزمایشگاه بل - Bell Labs - یک سلول خورشیدي سیلیکونی با بازده %6 اختراع کردند .[3] در اواخر دهه 1950، سلولهاي خورشیدي براي تأمین نیروي الکتریکی سیستمهاي ماهواره اي استفاده شدند،

زیرا این قطعات براي یک دوره طولانی نیاز به حفاظت و نگهداري نداشتند و بدون افت زیاد در بازده تبدیل، بسیار مفید بودند. در دهه 1970 دانشمندان دریافتند که استفاده از اثر فوتوولتایی، میتواند پیشنهاد مناسبی در جهت تولید انرژي از منابع غیر فسیلی باشد .[1] در واقع این سلولها باید طوري طراحی شوند که بتوانند طول موجهاي نور خورشید را که به سطح زمین میرسد با بازده بالا به انرژي مفید تبدیل کنند. فناوري ساخت سلولهاي خورشیدي را میتوان در سه نسل دسته بندي نمود.

.3نسل اول فناوريهاي سیستمهاي فتوولتاییک: سلولهاي کریستالی

سیلیکون یکی از فراوانترین عناصر حال حاضر کره زمین میباشد. این عنصر یک نیمرساناي بسیار مناسب براي استفاده در سیستمهاي فتوولتاییک میباشد. رایجترین ماده توده براي سلول خورشیدي، سیلیکون کریستالی - c-Si - است. سلولهاي کریستالی سیلیکون بسته به این که ویفرهاي سیلیکونی به چه روش ساخته میشوند به 2 دسته کلی تقسیم بندي میشوند: سیلیکون تک کریستالی - sc-Si - و سیلیکون پلی کریستالی - pc-Si - یا چند کریستالی . - mc-Si - بهترین بازده سلولهاي خورشیدي تک کریستالی در شرایط آزمایشگاهی استاندارد %24/7 و بازده تایید شده براي این سلولها 20-24 درصد و براي سلولهاي پلی کریستالی 14-18 درصد اندازه گیري شده است. ماکزیمم بازده ماژولهاي فتوولتاییک تایید شده براي سیلیکون تک کریستالی %23 و براي سیلیکون پلی کریستالی %16 میباشد

.4نسل دوم فناوريهاي سیستمهاي فتوولتاییک: سلولهاي خورشیدي لایه نازك GaAs

اولین شرط براي مواد بکار رفته در یک قطعه مبدل انرژي فتوولتاییک خورشیدي ، تطبیق گاف انرژي با طیف خورشیدي و نیز داشتن قابلیت تحرك بالا و طول عمر حاملهاي زیاد میباشد. این شرایط توسط بسیاري از ترکیبات II-VI ، III-V و Si برآورده میشوند. مواد گروه III – V علی رغم هزینه هاي بالاي استحصال و ساخت این نیمرساناها، با موفقیت زیاد در کاربردهاي فضایی که در آنها هزینه، فاکتور مهمی نیست مورد استفاده قرار گرفته اند.

در سال 1961، شاکلی و کویزر - - Shockley-Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدي پیوندي به شکل یک جسم سیاه با دماي 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازده یک سلول خورشیدي صرف نظر از نوع تکنولوژي بکار رفته در آن، %30 است که براي سلولی با گاف انرژي ماده برابر1.39 eVبدست میآید .با توجه به اینکه انرژي شکاف گالیم آرسناید برابر1.424 eV است میتواند ماده مناسبی براي طراحی سلولهاي خورشیدي باشد.سلولهاي خورشیدي ساخته شده بر پایه لایه نازك GaAs به عنوان نسل دوم سلولهاي خورشیدي نامگذاري میشوند

شکل -1 مقایسه اي از ضخامت سیلیکون مورد نیاز در لایه نازكها و سلولهاي کریستالی

پس از 20 سال تحقیق و توسعه، استفاده از سلولهاي خورشیدي لایه نازك شروع گسترش یافت. سه نوع اصلی سلولهاي خورشیدي لایه نازك که در حال حاضر تجاري شدهاند، سلول هاي سیلیکونهاي آمورف - a-Si - و a-Si/μc-Si - - ، سلول هاي کادمیوم تلورید - Cd-Te - و سلول هاي مس، ایندیم، سلنید - CIS - و مس، ایندیم، گالیم، سلنید - CIGS - می باشند. ماکزیمم بازده ماژولهاي فتوولتاییک تایید شده براي سیلیکون آمورف، کادمیم تلورید و CIS/ CIGS به ترتیب 7/1 ، 11/2 و 12/1 درصد میباشد.

.5نسل سوم فناوريهاي سیستمهاي فتوولتاییک

حد اکثر بازده تبدیل توان الکتریکی یک سلول PVي تک پیوند در نسل اول یا دوم که حد "شاکلی-کویزر" نامیده میشود، برابر %33/7 است. یکی از مهمترین اهداف سلولهاي خورشیدي نسل سوم رسیدن به حد بالاتر از شاکلی-کویزر است. این هدف در سلولهاي خورشیدي نسل سوم با بهره گیري از اتصالات چندگانه حاصل شده است. فناوريهاي این نسل در مرحله پیش از تجاري سازي به سر میبرند. فناوريهاي نسل سوم عبارتند از: سلولهاي خورشیدي مبتنی بر مواد آلی، سلولهاي خورشیدي با فناوري فتوولتاییک متمرکز و سلولهاي خورشیدي مبتنی بر نقاط کوانتومی. در ادامه این مقاله به بررسی هر یک میپردازیم.

.1.5سلولهاي خورشیدي مبتنی بر مواد آلی

سلولهاي خورشیدي ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با دیگر سلولهاي خورشیدي بازده بسیار کمتري دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیتهایی مانند انعطاف پذیري براي مصارف غیر صنعتی مناسب هستند. انواعی از سلولهاي خورشیدي مبتنی بر مواد آلی شامل سلول هاي خورشیدي حساس به رنگ، سلولهاي خورشیدي پلیمري و سلولهاي خورشیدي مبتنی بر بلورهاي مایع هستند که به شرح هر یک میپردازیم.

.1.1.5سلولهاي خورشیدي حساس به رنگ - DSSC -

ساختار پایه یک DSSC وارد کردن بهینه یک نیمرساناي نوع n شفاف - با شکاف انرژي پهن - در یک شبکه اي از ستونها در ابعاد نانو در تماس با نانو ذرهها یا برآمدگیهاي مرجانی شکل است.

شکل -2 الف-شماتیک یک سلول خورشیدي حساس به رنگ ب- ساختار ایده آل ابزار خورشیدي پایه بلور مایع