الکتروتکنیک-برق صنعتی

تاریخچه سلول های خورشیدی 

لفظ "فتوولتائیک" از عبارت یونانی " φῶς (phōs)" به معنی "روشنایی" و کلمه ولتائیک از نام فیزیکدان ایتالیایی به نام ولتا(که واحد نیروی محرکه الکتریکی است) گرفته شده است. عبارت "فتو-ولتائیک" از سال 1894 در زبان انگلیسی استفاده می شود.

اثر فتوولتائیک اولین بار توسط فیزکدان آلمانی "اِی.ای.بکورل" در سال 1839 شناسایی شد. سال 1883 اولین سلول خورشیدی توسط "چارلز فریت" ساخته شد، او نیمه هادی سلنیوم را با یک لایه نازک از طلا برای تشکیل درگاه اتصال پوشش داد. بازده دستگاه فقط در حدود 1 درصد بود. سپس فیزیکدان روسی "الکساندر استولتاو" اولین سلول خورشیدی برمبنای اثر فتوالکتریک (کشف شده توسط هانریش هرتز در سال 1887) ساخت. "آلبرت اینشتین" اثر فتوالکتریک را در سال 1905 تشریح کرد و به خاطر این جایزه نوبل فیزیک را در سال 1921 دریافت کرد. "راسل اهل" اتصال های نیمه هادی مدرن در سلول های خورشیدی در 1946 ، در حالی که داشت روی یک سری تحقیقات مربوط به ترازیستور کار می کرد،مطرح کرد. بالاترین بازده سلول های خورشید توسط "چپین"،"فولر" و "پیرسون" در 1954 به هنگام استفاده از یک اتصال p-n سیلیکونی بدست آمد. در چهار دهه ی گذشته اقدامات قابل توجهی در جهت ساخت نیروگاه های تولید انرژی خورشیدی مگاواتی صورت گرفته است. 





سلول های خورشیدی معمولاً به صورت ماژول های وصل شده و کپسوله شده به صورت الکتریکی موجود هستند(یعنی آماده برای استفاده هستند). ماژول های فتوالکتریکی یک صفحه شیشه ای در سطح خود دارند تا به هنگام عبور نور از ویفرهای نیمه هادی در مقابل عوامل محیطی(مانند باران،گرماو ..) محافظت کند. سلول های خورشیدی به صورت سری در ماژول ها،ولتاژ موثر ایجاد می کند، و ارتباط موازی یک جریان بالاتر بوجود می آورد. ماژول ها برای ایجاد ولتاژو جریان مطلوب مستقیم باهم به صورت سری یا موازی یا هردو متصل می شوند که به آن آرایه می گویند.

انرژی خروجی آرایه خورشیدی با وات یا کیلووات مشخص می شود. برای محاسبه انرژی مورد نیاز مصرف کننده ها،از معیار وات-ساعت،کیلووات-ساعت یا کیلووات در روز معمولاً استفاده می شود.طبق یک حساب سرانگشتی رایج متوسط انرژی برابر 20درصد انرژی بیشینه است،بنابراین هر کیلووات انرژی بیشینه خورشید خروجی در حدود 4.8کیلووات در روز تولید می کند. 

(24 ساعت X 1کیلووات X 20درصد = 4.8 کیلووات ساعت)

برای استفاده سودمند از انرژی تولید شده خورشیدی، برق معمولاً به شبکه های برق که از مبدل ها استفاده می کنند تحویل داده می شود ، در سیستم های مستقل، باتری ها برای ذخیره انرژی که همان موقع مورد نیاز نیست استفاده می شوند.

سلول های خورشیدی امکان اتصال به دستگاه های دیگر برای خودکفایی انرژی از طریق خورشید را دارد. همانند شارژرهای سلول خورشیدی برای موبایل، وسایل حمل و نقل خورشیدی و صفحه های خورشیدی که مردم می توانند برای استفاده روزانه(مانند گرم کرن آب و...) از آن استفاده کنند.

نظریه ها و اصول کلی

· تشریح ساده 

1. فوتون های خورشید به پیل خورشیدی برخورد می کننده و توسط نیمه هادی مانند سیلیکون جذب می شوند.

2. الکترون هایی که انرژی جذب کردند از قید اتم خود رها می شوند، و در ماده(سیلیکون) به جریان می افتند و برق تولید می کنند. به دلیل آرایش سلول های خورشیدی، الکترون ها فقط در یک جهت اجازه دارند حرکت کنند.

3. آرایه های خورشیدی انرژی خورشیدی را به جریان مستقیم برق تبدیل می کند.



· حامل های بار

زمانی که یک فوتون به قسمتی از سیلیکون برخود می کند ،یکی از سه حالت زیر رخ می دهد :

1. فوتون ها به طور مستقیم از سیلیکون عبور می کنند، این زمانی اتفاق می افتد که انرژی فوتون ها کم باشد.

2. فوتون از سطح برگشت داده می شود(بازتاب می شود ).

3. اگر انرژی فوتون از گاف انرژی بیشتر باشد توسط سیلیکون جذب می شود. که این باعث ایجاد یک زوج الکترون-حفره و بعضی مواقع گرما می شود که به ساختار نواری بستگی دارد.

زمانی که فوتون جذب می شود انرژی آن به الکترون در شبکه بلوری داده می شود. معمولاً این الکترون درون نوار والانسی است،و با یک پیوند کوالانسی محکم بین دو اتم مجاور مقید شده است و نمی تواند دور شود. انرژی که توسط فوتون به آن داده می شود آن را به نوار رسانش برانگیخته می کند، جایی که الکترون آزادانه می توانند درون نیمه هادی حرکت کند. در پیوند کوالانسی که الکترون قبلاً قسمتی از آن بوده و الان یک الکترون کمتر دارد ،حفره ایجاد میشود. تکرار این کار باعث می شود الکترون های در قید اتم ها به طرف حفره ها حرکت کنند، به این صورت یک حفره در جای خود باقی می گذارند، و به این طریق حفره از میان شبکه می تواند حرکت کند. بنابراین ،گفته می شود که فوتون هایی که توسط نیمه هادی جذب می شوند زوج های سیال الکترون-حفره ایجاد میکنند.

برای اینکه الکترون از نوار والانس به نوار رسانش برانگیخته شود یه فوتونی احتیاج است که انرژی بیشتر از گاف انرژی داشته باشد. به هر حال، طیف فرکانسی خورشید تقریباً یک طیف جسم سیاه است،و بیشتر فوتون هایی که از خورشید به زمین می رسد انرژی بیشتر از گاف انرژی سیلیکون دارند.

فوتون ها با انرژی بالاتر توسط سلول های خورشیدی جذب می شوند ، اما تفاوت سطح انرژی بین گاف انرژی و انرژی فوتون، بیشتر به گرما تبدیل می شود(از طریق ارتعاشات شبکه که فونون نامیده می شود) تا به انرژی الکتریکی مفید.









· تفکیک حامل بار

دو نوع اصلی تفکیک حامل بار در سلول خورشیدی وجود دارد:

1. رانش حامل های بار توسط یک میدان الکترواستاتیک که در سرتاسر وسیله برقرار است.

2. انتشار حامل های بار از ناحیه ای با تراکم حامل بالاتر به یک ناحیه با تراکم حامل پایین تر (مسیر شیب دار اختلاف پتانسیل شیمیایی).

در اتصال های p-n سلول خورشیدی نوع انتشار حاکم است(نوع دوم). اگرچه در فیلم های باریک(مانند سیلیکون غیر بلوری) مکانیسم اصلی حرکت بار از طریق میدان الکتریکی و بنابراین از طریق رانش حامل هاست(نوع اول).

· اتصال p-n

رایج ترین سلول خورشیدی از تعداد زیادی اتصال p-n از سیلیکون ساخته شده است. برای سادگی ، تصور کنید که لایه ای از سیلیکون نوع n روی لایه ای از سیلیکون نوع p قرارگیرد. در عمل ،اتصالات p-nاین گونه ساخته نمی شوند اما به طور مشابه انتشار نوع n روی طرفی که شامل ویفر نوع p است(و برعکس)،انجام می گیرد. 

زمانی که تکه ای سیلیکون نوع p روی قطعه ای از سیلیکون نوع n قرار گیرد ، یک انتشار از ناحیه ای که دارای تراکم الکترون بیشتر است(طرفی که شامل اتصال نوع n است) به ناحیه ای که دارای تراکم کمتر است(طرفی که شامل اتصال نوع p است) رخ می دهد. زمانی که الکترون ها از طریق اتصال p-n انتشار یافتند، دوباره در طرف نوع p به حفره ها ملحق می شوند. انتشار حامل ها به طور نامحدود رخ نمی دهد، به خاطر اینکه ظرفیت بار در طرف اتصال بالا می رود و یک میدان الکتریکی ایجاد می کند. میدان الکتریکی یک دیود ایجاد می کند که جریان شارژ ایجاد می کند که جریان سوق نامیده می شود. ناحیه ای که الکترون ها و حفره ها از محل اتصال عبور می کنند ناحیه نقصان(یا کاهش) نامیده می شود بخاطر اینکه شامل هیچ حامل بار سیالی نیست، که همچنین ناحیه بار فضا نامیده میشود.



· اتصال به یک بار خارجی

اتصال اهمی نیمه هادی-فلزی برای هردو طرف نوع n و نوع p سلول خورشیدی ساخته می شود،و الکترودها به بار خارجی متصل می شوند. الکترون که در طرف نوع n وجود دارد،در سیم به حرکت در می آید، به بار انرژی می دهد، و به عبور از سیم تا زمانی که به ناحیه نوع p نیمه هادی برسد ادامه می دهد. و سپس با حفره ای که از ناحیه نوع n به ناحیه نوع p آمده است،ترکیب می شود. ولتاژ برابر اختلاف ترازهای فرمی الکترون ها در قسمت نوع p و حفره ها در قسمت نوع n است.
 

· مدار معادل یک سلول خورشیدی


برای درک رفتار یک سلول خورشیدی، بهتر است که یک مدل که معادل الکتریکی است درست کنیم، این مدل بر مبنای اجزای الکتریکی جدا از هم که رفتارشان را به خوبی می شناسیم ایجاد می شود. یک سلول خورشیدی ایده آل با یک منبع جریان موازی با یک دیود مدل می شود، در عمل هیچ سلول خورشیدی ایده آل نیست، بنابراین یک مقاومت موازی فرعی و یک مقاومت سری به مدل اضافه می کنیم.