نحوه تولید برق توسط سلول خورشیدی
دسترسی به انرژی بی نهایت و پاک همواره یکی از آرزوهای دیرینه بشر بوده است. خورشید به عنوان یک منبع پاک و نا متناهی همواره یک منبع بسیار خوب برای اهالی زمین بوده است. تا سالیان زیادی عمل تبدیل انرژی خورشیدی به سایر انرژی ها فقط و فقط توسط بدن جانداران و گیاهان توسط فرآیند فوتوسنتز انجام می شد. به کمک پیشرفت علم و تکنولوژی، بشر توانست تا این انرژی تابشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. در واقع سلول خورشیدی وسیله ای برای تبدیل نور خورشید به برق می باشد.
زمانی که نور به سطح یک سلول خورشیدی برخورد می کند، احتمالا یکی از سه اتفاق زیر برای نور می افتد:
1- نور از سطح سلول خورشیدی بازتاب می کند یا
2- نور از سطح سلول خورشیدی عبور می کند یا
3- نور توسط سلول خورشیدی جذب می شود.
سلولهای خورشیدی از مواد نیمه رسانا تشکیل شده است. در واقع علت استفاده از لغت “نیمه رسانا” برای این دسته از مواد آن است که رسانایی الکتریکی آنها از مواد عایق بسیار بهتر می باشند اما نه به خوبی رسانندگی مواد رسانا. در دنیا نیمه رساناهای متنوعی وجود دارد که برای ساخت سلولهای خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرند.
زمانی که نور توسط نیمه رساناها جذب می گردد، انرژی نور خورشید توسط الکترونها جذب می شود. این انرژی جذب شده توسط الکترون، باعث می گردد تا الکترونها در سراسر ماده نیمه رسانا حرکت کرده و یک جریان الکتریکی در ماده بوجود بیاید.
این جریان الکتریکی به کمک فلزاتی که (معمولا نقره) به قسمت رو و پشت سلول خورشیدی چسبیده شده اند (گریدها) به سمت بیرون از سلول خورشیدی هدایت می شوند. همین جریان الکتریکی، نهایتا توسط ما در منازل و کارخانه ها مورد استفاده قرار می گیرد.
راندمان یک سلول خورشیدی عبارتست از نسبت انرژی الکتریکی تولید شده به انرژی نور خورشیدی که به سطح سلول تابیده است. در واقع راندمان سلول خورشیدی نشان دهنده کیفیت آن می باشد، هرچه راندمان بالاتر، انرژی تولید شده در شرایط یکسان نیز بیشتر خواهد بود.
میزان انرژی تولید شده توسط سلول خورشیدی به پارامترهای مختلفی از ساختار سلول و همچنین به طول موج و شدت نور تابیده شده به سطح آن بستگی دارد.
یکی از مهمترین پارامترهای سلول خورشیدی، حداقل انرژی می باشد که الکترونها نیاز دارند تا با بدست آوردن اون، در داخل سلول خورشیدی شروع به حرکت کنند. اگر این حداقل انرژی مورد نیاز دقیق برابر با انرژی فوتون های نور خورشید باشد، جریان الکتریکی بسیار مناسبی در سلول خورشیدی بوجود می آید.
سیلیکون مهمترین ماده نیمه رسانایی می باشد که برای تولید سلول خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرد. شاید به جرات بتوان گفت که بیش از 90 درصد سلولهای خورشیدی تولید شده در جهان بر پایه سیلیکون می باشند. شاید عجیب باشد اما سیلیکون دومین ماده موجود و در دسترس بر روی کره زمین می باشد (بعد از اکسیژن). در واقع از کنار هم قرار گرفتن اتم های سیلیکون یک شبکه کریستالی بسیار منظمی تشکیل می شود که عمل تبدیل نور خورشید به جریان الکتریکی را تسریع می کند.
نکته جالب توجه در مورد سلول های خورشیدی اینست که هر چقدر مساحت سلول خورشیدی بیشتر و بزرگتر باشد، ولتاژ تولید شده توسط آن از عدد تقریبی 0.7 ولت فراتر نمی رود. البته خیلی نگران نباشید، درست است که ولتاژ سلول خورشیدی از 0.7 ولت تجاوز نمی کند اما هر چقدر مساحت آن بزرگتر باشد، جریان الکتریکی که می تواند تولید کند متناسب با مساحت افزایش می یابد.
در واقع هر سلول خورشیدی یک باطری 0.7 ولتی می باشد که هنگام تابش نور خورشید کار می کند. جریان این باطری با افزایش مساحت آن زیاد می شود. بنابراین یک ایده ساده و کارآمد برای بدست آوردن ولتاژهای بالاتر فقط کافی است که این باطری ها را به صورت سری به هم وصل کنیم. مثلا اگر 100 سلول خورشیدی را به صورت سری به هم وصل کنیم، ولتاژ خروجی این سیستم به 70 ولت افزایش خواهد یافت.
مراحل ساخت پنل خورشیدی از جنس سیلیکون
- سیلیکون به صورت فراوانی در شن و ماسه کنار دریا وجود دارد که در دماهای بسیار بالا خالص سازی می شود.
- دمای کوره به نحوی افزایش می یابد که اتم های سیلیکون به صورت کاملا منظم کنار یکدیگر قرار می گیرند، در این زمان گاز حاوی اتم های بورون نیز به محیط اضافه می گردد تا خاصیت الکتریکی سیلیکون بهتر شود. در این مرحله شکل ظاهری سیلیکون پس از خنک شدن به صورت استوانه می باشند.
- در مرحله بعد این استوانه به قطعات منظم سیلیکون با شکل دلخواه مربع یا دایره ای با ضخامت بسیار کمی برش داده می شود. به قطعات برش داده شده ویفر سیلیکونی نامیده می شوند.
- در مرحله بعد با قرار دادن ویفر های سیلیکونی در کوره دمای بالا، یک گاز جدید ( حاوی فسفر) وارد ویفر سیلیکونی می شود که اصطلاحا یک پیوندگاه P-n تشکیل می شود که قلب تپنده تولید انرژی الکتریکی از نور خورشید می باشد. سپس در مرحله بعد اتصالات الکتریکی به قسمت پشت و روی سلول خورشیدی اضافه می شوند که به آنها bus bar و انگشت (finger) گفته می شود. سلول های خورشیدی به طور کلی به چهار دسته اصلی تقسیم بندی می شوند که در ادامه فقط به نام آن ها اشاره می کنیم:
* سلول های مونو کریستال
* سلول های پلی کریستال
* سلول های PERC
* سلول های لایه نازک
- در مرحله نهایی سلول های خورشیدی به شکل ماتریسی به صورت متوالی و موازی به کمک یک سری سیم به همدیگر وصل می شوند و یک پنل خورشیدی را تشکیل می دهند. پنل های خورشیدی بسته به محلی که قرار است از آنها استفاده شود در ساختارهایی با تعداد سلول مختلف وجود دارند:
– پنلهایی با 48 سلول خورشیدی
– پنلهایی با 60 سلول خورشیدی
– پنلهایی با 72 سلول خورشیدی
– و …
تمام این سلولها بر روی یک قاب آلمینیومی (frame) سوار می شوند.
هر چه تعداد سلول های خورشیدی بکار رفته در یک پنل بیشتر باشد، بسته به نحوه اتصال سلولها به یکدیگر و راندمان سلول ها، ولتاژ، جریان و توان تولیدی سلول بیشتر خواهد بود.
در نیروگاه های خورشیدی تعداد و نحوه اتصال پنل ها می تواند تپولوژی های مختلفی را ایجاد کند که بسته به نیاز طراحی میشوند.