مقدمه

حتما شما تا حالا ماشین حساب هایی که باتری خورشیدی دارند رو دیدید. ماشین حسابهایی که هیچ وقت نیازی به باتری ندارند. یا حتی بعضی هاشون اصلا کلید خاموش ندارند. تا وقتی که نور کافی داشته باشند کار می کنند. شاید صفحه های خورشیدی بزرگتری رو در جاده ها، چراغ های راهنمایی یا حتی در پارکینگها برای روشن کردن لامپها دیده باشید. هرچند این موارد مثل ماشین حسابهای خورشیدی معمول نیستند؛ اونها اون بیرون هستند و اگر بدونید کجا رو باید نگاه کنید پیدا کردنشون زیاد سخت نیست. ماهواره ها هم برای انرژی سیستم هاشون از آنتنهای باتری خورشیدی استفاده می کنند.

شاید شما در مورد انقلاب خورشیدی در چند سال اخیر شنیده باشید. این ایده که یک روز همه ما بتونیم انرژی مجانی از خورشید بگیریم. جالبه بدونید که در یک روز روشن و آفتابی، خورشید با درخشیدنش به هرمتر مربع از زمین تقریبا 1000 وات انرژی میدهد. و اگر می تونستیم همه این انرژی رو جمع آوری کنیم می تونستیم انرژی خونه و محل کارمون رو تامین کنیم.

در این مقاله سلول خورشیدی رو بررسی کردیم تا ببینیم چطور انرژی خورشید رو به الکتریسیته تبدیل می کنند. در این فرایند خواهید آموخت که چرا هر روز به استفاده از انرژی خورشید نزدیک می شویم. و اینکه چرا هنوز به پژوهش زیادی نیاز داریم تا این فرایند به صرفه باشد.

سلول خورشیدی: تبدیل فوتون به الکترون

سلولهای خورشیدی که روی ماشین حساب ها و ماهواره ها دیده میشوند photovoltaic cell یا module هستند. Module ها گروهی از سلول های خورشیدی هستند که به طور الکتریکی به هم متصل شده اند. Photovoltaic همان گونه که از اسمش پیداست (photo یعنی نور و voltaic یعنی الکتریکی) یعنی نور خورشید را یکراست به برق تبدیل می کند. قبلا سلول خورشیدی مخصوص فضا ساخته می شد. اما آنها می تونند بسیار بیشتر در جاهای نزدیکتری به کار روند. آنها حتی می تونند انرژی خانه های ما رو تامین کنند. اما این دستگاهها چطور کار می کنند؟

سلولهای خورشیدی (photovoltaic (PV) cells) از مواد خاصی به نام نیمه هادی ساخته می شوند. مانند سیلیکون که به تازگی بسیار مورد استفاده قرار گرفته. وقتی نور به سلول برخورد می کند مقدار خاصی از آن به نیمه هادی جذب می شود. و این بدان معنی است که انرژی نور جذب شده به نیمه هادی منتقل شده. انرژی به الکترونها ضربه زده، آنها را از بند آزاد می کند و کمک می کند آنها آزادانه جریان پیدا کنند. همه سلولهای خورشیدی همچنین یک یا چند میدان الکتریکی دارند که الکترونهای آزاد را مجبور می کنند تا به وسیله نور جذب شده در راستای خاصی به حرکت در آیند. حرکت الکترونها همان جریان الکتریکی است که می توان دو فلز در دو سر سلول قرار داد و جریان آن را به خارج هدایت کرد. برای نمونه از این انرژی در ماشین حساب استفاده می شود. این جریان همراه با ولتاژ سلول (که نتیجه میدان یا میدانهای سلول است) انرژی (یا wattage) سلول را تعریف می کند.

این فقط فرایند پایه ای سلول خورشیدی بود. اما چیزهای خیلی بیشتری در مورد آن وجود دارد. بهتر است نگاه عمیق تری به یک نمونه از سلول خورشیدی بیندازیم: سلول خورشیدی تک بلور سیلیکون.

سیلیکون چگونه سلول خورشیدی را می سازد؟

سیلیکون ساختمان شیمیایی خاصی دارد. خصوصا در حالت بلور. یک اتم سیلیکون دارای 14 الکترون است که در سه پوسته مجزا چیده شده اند. پوسته بیرونی آن که تازه تا نیمه پر شده تنها 4 الکترون دارد. اتم سیلیکون همواره به دنبال راهی است که پوسته بیرونی را پر کند (که دوست دارد هشت الکترون داشته باشد.). برای همین الکترونهی خود را با 4 الکترون اتم کناری به اشتراک می گذارد. مانند آین که هر اتم سیلیکون دست همسایه خود را گرفته باشد. اما با این تفاوت که هر اتم باچهار دست، دست چهار همسایه خود را گرفته. بدین ترتیب ساختمان بلوری سیلیکون ساخته می شود. و این ساختمان برای این نوع سلول خورشیدی لازم است.

ما بلور خالص سیلیکون رو شرح دادیم. سیلیکون خالص رسانای ضعیفی برای جریان الکتریکی است. چون هیچ یک از الکترونهای آن برای حرکت آزادی ندارند. در حالی که در یک رسانای خوب مانند مس الکترون های آزاد جران را به خوبی انتقال می دهند. و به عکس در ساختمان بلوری الکترونها در جای خود قفل شده اند. سیلیکون در سلول خورشیدی اندکی اصلاح شده و به صورت سلول خورشیدی عمل می کند.

در سلول خورشیدی سیلیکون را با ناخالص به کار برده اند. یعنی اتمهای دیگر به سیلیکون وارد شده و عملکرد ماده را اندکی تغییر داده اند. ما همواره تصور می کنیم که نا خالصیها مضرند. اما در این مورد سلول بدون آنها کار نمی کند. این نا خالصیها واقعا هدفدار ایجاد می شوند. تصور کنید سیلیکون با یک اتم فسفر، یک اتن در برابر یک میلیون انتم سیلیکون. فسفر در لایه بیرونی خود 5 الکترون دارد، نه 4 تا. این اتم همچنان به اتمهای سیلیکون همسایه چسبیده با یک الکترون که کسی نیست دستش را بگیرد. این الکترون در همبندی شرکت ندارد اما یک پروتون مثبت در هسته فسفر آن را در اطراف خود نگاه می دارد.

وقتی انرژی به سیلیکون خالص اضافه می شود، (مثلا به صورت گرما) ممکن است تعداد اندکی از الکترونها را از بند پیوند آزاد کند و الکترونها اتم را رها می کنند. یک سوراخ در جای آنها باقی می ماند. الکترونهای آزاد شده سرگردان و پریشان در شبکه بلوری به دنبال سوراخ دیگری می روند تا درونش بپرند. به این الکترونها حاملهای منفی می گویند و می تونند جریان الکتریکی را منتقل کنند. تعداد اینها اندک است و زیاد هم بدرد خور نیستند. سیلیکونهایی که با فسفر خالص شده اند داستان دیگری دارند. الکترونهای فسفر در این شبکه نیاز به انرژی بسیار اندکی برای رها شدن دارند زیرا در پیوند شرکت ندارند. همسایهاشان آنها را بر نمی گردانند. در این صورت ما تعداد زیادتری حامل منفی نسبت به سیلیکون خالص خواهیم داشت. فرایند اضافه کردن ناخالصی را دوپه کردن می گویند و وقتی سیلیکون با فسفر دوپه شود به خاطر زیاد بودن حامل های منفی نوع N (Negative) نامیده می شود. سیلیکون دوپه شده نوع N بسیار بیشتر از سیلیکون خالص رسانایی دارد.

در حقیقت فقط قسمتی از سلول خورشیدی ما نوع N است. قسمت دیگر سیلیکون دوپه شده با بور است. بور در پوسته خارجی خود به جای 4 الکترون 3 الکترون دارد. به این صورت نوع P ساخته می شود. در سیلیکون نوع P (Positive) به جای الکترون آزاد، سوراخ آزاد دارد. سوراخ یعنی خالی از الکترون. اینها حاملهای مثبت هستند. این سوراخها مانند الکترونهای آزاد حرکت می کنند.

داستان زمانی جالب می شود که سیلیکون نوع N را با سیلیکون نوع P کنار هم قرار دهیم. به یاد داشته باشید که هر سلول خورشیدی حد اقل یک میدان الکتریکی دارد. بدون این میدان الکتریکی سلول خورشیدی کار نخواهد کرد و این میدان زمانی تشکیل می شود که سیلیکون نوع N و سیلیکون نوع P با هم در ارتباط باشند. پس ناگهان الکترونهایی که به دنبال سوراخ می گشتند سوراخهای سیلیکون نوع P را می بینند و دیوانه وار به درون سوراخها می پرند و آنها را پر می کنند.

آناتومی سلول خورشیدی

تاکنون سیلیکون ما از نظر الکتریکی خنثی بود. الکترونهای اضافی فسفر با پروتونهای اضافی متعادل شدند. سوراخها با نبود الکترون متعادل شدند. وقتی الکترونها و سوراخها در پیوندگاه با هم مخلوط می شوند آیا همه الکترونها همه سوراخها را پر می کنند؟ نه. اگر این اتفاق می افتاد این شکل گیری دیگر به درد ما نمی خورد. سوراخها و الکترونها همین طور که مخلوط می شوند، درست در پیوندگاه یک سد می سازند و عبور الکترونها را از نوع N به نوع P سخت تر و سخت تر می کنند. سرانجام تعادل برقرار گشته و یک میدان الکتریکی دو طرف را از هم جدا می سازد.

تاثیر میدان الکتریکی در سلول PV

این میدان الکتریکی مانند دیود عمل می کند. اجازه می دهد الکترونها از نوع P به نوع N حرکت کنند (و حتی حل می دهد). این مانند یک تپه است که الکترونها می توانند از آن به پایین بیایند ولی منی توانند از آن (به طرف نوع N) بالا روند.

پس ما یک میدان الکتریکی داریم که به صورت یک دیود عمل کرده و الکترونها فقط می توانند در یک جهت در آن حرکت کنند.

وقتی نور، به شکل فوتون، به سلول ما ضربه می زند، انرژی آن تیم الکترون-سوراخ ما را آزاد می کند. هر فوتون به طور طبیعی دقیقا یک الکترون را آزاد می کند و در نتیجه یک سوراخ ساخته می شود. اگر این اتفاق به اندازه کافی نزدیک میدان الکتریکی بیفتد، یا الکترون آزاد یا سوراخ آزاد در محدوده میدان بوجود آمده و سرگردان شوند، میدان الکترونها را به سمت نوع N و سوراخها را به سمت نوع P می فرستد. بدین ترتیب خنثایی از بین می رود و اگر ما یک پل جریان در خارج ایجاد کنیم، الکترونها به سمت مکان اولیه خود می روند تا با سوراخهایی ترکیب شوند که میدان از آنها دورشان کرده و در طی این مسیر برای ما کار انجام می دهند. حرکت الکترونها جریان را پدید آورده و میدان الکتریکی ولتاژ را. با وجود جریان و اختلاف پتانسیل ما انرژی خواهیم داشت که نتیجه آندوست.

عملکرد سلول PV

اما هنوز تعداد اندکی پله تا رسیدن به سلول خورشیدی باقی است. سیلیکون موجب درخشش ماده و همچنین موجب بازتاب نور می شود. فوتونهای بازتاب شده برای سلول قابل استفاده نیستند. برای همین با یک پوشش ضد بازتاب (Antireflective) اتلاف انرژی ناشی از بازتای را به کمتر از 5 درصد کاهش می دهیم. مرحله آخر قرار دادن پوشش شیشه ای است که سلول را در مقابل عوامل محیطی محافظت می کند. Module های PV از چندین سلول تشکیل شده اند که به صورت موازی با هم مرتبط شده اند و در یک قاب محکم شده و در دو سر آنها قطبهای مثبت و منفی قرار دارد.

ساختمان کلی سلول PV سیلیکون

سلول ما چقدر از انرژی را جذب می کند؟ بدبختانه بیشترین میزان انرژی که یک سلول می تواند جذب کند تنها 25 درصد و حتی در بیشتر موارد کمتر از 15 درصد است. اما چرا اینقدر کم...؟

منبع ترجمه:

http://science.howstuffworks.com/solar-cell.htm