سلول خورشیدی: اصل کار و ساختار (با نمودارها)

چه می‌باشد سلول خورشیدی؟

یک سلول خورشیدی (همچنین به عنوان سلول فتوولتائیک یا سلول PV شناخته می‌شود) به عنوان دستگاه الکتریکی تعریف می‌شود که انرژی نوری را از طریق اثر فتوولتائیک به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سلول خورشیدی در واقع یک دیود پی-ان است. سلول‌های خورشیدی نوعی سلول فوتوالکتریک هستند که به عنوان دستگاهی تعریف می‌شوند که مشخصات الکتریکی آن‌ها – مانند جریان، ولتاژ یا مقاومت – زمانی که به نور مواجه می‌شوند تغییر می‌کنند.

سلول‌های خورشیدی فردی می‌توانند برای تشکیل ماژول‌ها که به طور معمول به عنوان پانل‌های خورشیدی شناخته می‌شوند ترکیب شوند. سلول خورشیدی سیلیکونی با یک نقطه اتصال می‌تواند ولتاژ باز حداکثری حدود ۰.۵ تا ۰.۶ ولت تولید کند. به تنهایی این مقدار زیاد نیست - اما بخاطر اینکه این سلول‌های خورشیدی بسیار کوچک هستند. وقتی به یک پانل خورشیدی بزرگ ترکیب می‌شوند، مقدار قابل توجهی از انرژی تجدیدپذیر تولید می‌شود.

ساخت سلول خورشیدی

سلول خورشیدی در واقع یک دیود پی-ان است، اگرچه ساخت آن کمی متفاوت از دیودهای پی-ان معمولی است. لایه بسیار نازکی از نیمه‌رسانا پی-نوع بر روی نیمه‌رسانا ن-نوع نسبتاً ضخیم‌تر رشد می‌کند. سپس چند الکترود نازک‌تر را بر روی لایه نیمه‌رسانا پی-نوع قرار می‌دهیم.

این الکترودها نور را از رسیدن به لایه نازک پی-نوع مسدود نمی‌کنند. دقیقاً زیر لایه پی-نوع یک نقطه اتصال پی-ان وجود دارد. ما همچنین یک الکترود جمع‌آوری جریان در پایین لایه ن-نوع فراهم می‌کنیم. کل ترکیب را با شیشه نازک محافظت می‌کنیم تا سلول خورشیدی را از هرگونه شوک مکانیکی محافظت کنیم.

اصل عملکرد سلول خورشیدی

وقتی نور به نقطه اتصال پی-ان می‌رسد، فوتون‌های نور می‌توانند به راحتی وارد نقطه اتصال شوند، از طریق لایه بسیار نازک پی-نوع. انرژی نوری، به صورت فوتون‌ها، انرژی کافی به نقطه اتصال می‌دهد تا تعداد زیادی جفت الکترون-حفره ایجاد کند. نور ورودی شرایط تعادل حرارتی نقطه اتصال را می‌شکند. الکترون‌های آزاد در منطقه تخلیه می‌توانند به سرعت به سمت ن-نوع نقطه اتصال بروند.

به طور مشابه، حفره‌ها در منطقه تخلیه می‌توانند به سرعت به سمت پی-نوع نقطه اتصال بروند. یکبار که الکترون‌های آزاد جدید به سمت ن-نوع می‌آیند، نمی‌توانند بیشتر از نقطه اتصال عبور کنند بخاطر پتانسیل مانع نقطه اتصال.

به طور مشابه، حفره‌های جدید یکبار که به سمت پی-نوع می‌آیند نمی‌توانند بیشتر از نقطه اتصال عبور کنند بخاطر همان پتانسیل مانع نقطه اتصال. وقتی غلظت الکترون‌ها در یک سمت، یعنی سمت ن-نوع نقطه اتصال بیشتر می‌شود و غلظت حفره‌ها در سمت دیگر، یعنی سمت پی-نوع نقطه اتصال بیشتر می‌شود، نقطه اتصال پی-ان مانند یک باتری کوچک رفتار می‌کند. یک ولتاژ تنظیم می‌شود که به عنوان ولتاژ فتوئیک شناخته می‌شود. اگر ما یک بار کوچک را به نقطه اتصال متصل کنیم، جریان کوچکی از آن عبور خواهد کرد.

خصوصیات ولتاژ-جریان یک سلول فتوولتائیک

مواد استفاده شده در سلول خورشیدی

موادی که برای این منظور استفاده می‌شوند باید فاصله باند نزدیک به ۱.۵eV داشته باشند. مواد معمولاً استفاده شده عبارتند از:

1. سیلیکون.

2. GaAs.

3. CdTe.

4. CuInSe2

معیارهای مواد برای استفاده در سلول خورشیدی

1. باید فاصله باند از ۱eV تا ۱.۸eV داشته باشد.

2. باید جذب نوری بالایی داشته باشد.

3. باید هدایت الکتریکی بالایی داشته باشد.

4. مواد خام باید به صورت فراوان موجود باشند و هزینه مواد باید کم باشد.

مزایای سلول خورشیدی

1. عدم آلودگی مرتبط با آن.

2. باید برای مدت طولانی دوام بیاورد.

3. هزینه نگهداری ندارد.

معایب سلول خورشیدی

1. هزینه نصب بالا دارد.

2. کارایی کم دارد.

3. در روزهای ابری، انرژی تولید نمی‌شود و همچنین در شب نمی‌توانیم انرژی خورشیدی را دریافت کنیم.

کاربردهای سیستم‌های تولید خورشیدی

1. می‌تواند برای شارژ باتری‌ها استفاده شود.

2. در دستگاه‌های سنجش نور استفاده می‌شود.

3. برای تغذیه ماشین‌حساب‌ها و ساعت‌های دستی استفاده می‌شود.

4. می‌تواند در فضاپیماها برای تأمین انرژی الکتریکی استفاده شود.

نتیجه‌گیری: اگرچه سلول خورشیدی بعضی معایب دارد، اما این معایب با پیشرفت تکنولوژی می‌توانند حل شوند. چون تکنولوژی پیشرفت می‌کند، هزینه صفحات خورشیدی و همچنین هزینه نصب کاهش خواهد یافت تا همه بتوانند این سیستم را نصب کنند. علاوه بر این، دولت بسیار تاکید بر انرژی خورشیدی دارد و بعد از چند سال می‌توانیم انتظار داشته باشیم که هر خانوار و همچنین هر سیستم الکتریکی توسط انرژی خورشیدی یا منابع انرژی تجدیدپذیر تغذیه شود.