آشنایی با سلول خورشیدی و کابردهای آن
تاریخچه سلول خورشیدی
در ابتدای دهه 1970 ﻗﻴﻤﺖ ﻧﻔﺖ ﺑﻪ شدت ﺑﺎﻻ ﺭﻓﺖ ﻭ ﺍﻫﻤﻴﺖ آن ﺩﺭ ﺩﻧﻴﺎ ﺷﻨﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪ.
ﺑﺎ ﺷﺮﻭﻉ تحقیقاتی در راستای ﺗﻮﻟﻴﺪ منبع ﺍﻧﺮژﻯ ﺗﺠﺪﻳﺪﭘﺬﻳﺮ، ﺻﻨﻌﺖ ﺳﻠﻮﻝ ﺧﻮﺭشیدی در ﺗﻼﺵ بود ﺗﺎ ﻛﺎﺭﺑﺮﺩﻯ ﺑﺮﺍﻯ سلول ﺧﻮﺭﺷﻴﺪﻯ پیدا کند. پس ﺍﺯ ﺣﺪﻭﺩا ﻳﻚ ﺩﻫﻪ، ﻣﻨﺑﻊ ﺻﻨﻌﺖ ﺳﻠﻮﻝ های ﺧﻮﺭﺷﻴﺪﻯ ﻣﻘﺪﺍﺭ ﺯﻳﺎﺩﻯ افت کرد ﻭ ﺍﻳﻦ ﻭضعیت ﺗﺎ ﺯﻣﺎﻥ رخداد ﻫﺴﺘﻪ ﺍﻯ ﭼﺮﻧﻮﺑﻴﻞ ﺩﺭ 1986 ﺍﺩﺍﻣﻪ ﻳﺎﻓﺖ.
سلول خورشیدی برای عملکرد مناسب، وابسته به اثر فتوولتاییک است. این اثر برای اولین مرتبه در 1839 توسط یک فیزیکدان فرانسوی، کشف شد. طبق مشاهدات وی هنگامی که باطری زیر تابـش نـور قـرار گیرد ولتاژ آن دچار تغییر می شود. همچنین، در 1954، اولین سلول سیلیکون بـا عملکرد تبدیل انرژی 6 درصدی اختراع شد کـه پیشرفت عظیمی در سلول خورشیدی به حساب می رفت، چرا که این اولین سلول خورشیدی بود که با عملکرد قابل توجهی باعث تبدیل نور خورشید به الکتریسـیته بود.
اساس کار سلول خورشیدى
این سلول ها قطعات نیمه رسانا یا نیمه هادی هستند که انرژى تابشى خورشیدی را به الکتریکى تبدیل می کنند.
رسانایى سلول خورشیدی به عواملی مثل دما، میدان مغناطیسى، روشنایى و مقدار ناخالصى موجود در نیمه رسانا بستگى دارد.
کاربرد سلول های خورشیدى
از کاربرد های سلول خورشیدی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تأمین کننده انرژى دستگاه هایى مانند ماشین حساب و ساعت که به ولتاژ کمترى نیاز دارند.
- تهیه برق شهری به واسطه ی نیروگاه هاى فتوولتایى.
- تأمین کننده نیروى مورد نیاز براى حرکت خودرو و قایق.
- تأمین کننده نیروى مورد نیاز برای حرکت ماهواره و سفینه فضایى.
مزیت سلول های خورشیدی
موارد زیر تعدادی از مزیت های فراوان سلول های خورشیدی می باشد:
- این سلول های خورشیدى فضای کمی را اشغال می کنند.
- بخش متحرک ندارند.
- بازدهی آنها با تغییرات دمایى محیط چندان تغییری نمی کند.
- قابلیت نصب ساده ای دارند.
- قابلیت هماهنگی آسان با دستگاه هاى موجود در ساختمان.
سلول های خورشیدی انواع متفاوتی دارند که در این موضوع سلول های خورشیدی پلیمری مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
- سلول های سیلیکونی شکننده هستند و هزینه تولید نسبتا بالایی دارند درحالی که سلول های خورشیدی پلیمری منعطف بوده و هزینه پایین تری بـرای تولید آن ها صرف می شود.
- پرکاربردترین و مهم ترین ماده مورد مصرف در سلول خورشـیدی پلیمری به عنوان الکترود، ایندیوم قلـع اکسید می باشد که شکننده است و هزینه بالایی برای تولید و بهره وری آن صرف می شود.
- سـوخت های فسیلی با تولید کردن گاز دی اکسید کربن آلودگی زیاد محیط زیست را به همراه دارند، درنتیجه باید به دنبال تأمین انرژی منبع دیگری برویم.
سلول های خورشیدی پلیمری و ساختار آن ها
- این سلول پلیمری، نوعی از سلول خورشیدی آلی به شمار می رود، کـه از پلیمر مزدوج در لایه فعال آن استفاده می شود.
- عملکرد این سلول پلیمری به 10 درصد رسیده.
- علاوه بر این، وارد رقابتی سخت بـا سلول های سیلیکونی شده است.
در شکل زیر شماتیکی از سلول خورشیدی پلیمری می بینید:
انواع الکترود سلول های خورشیدی پلیمری
-
الکترودهای پایه پلیمر رسانا
پلی استایرن سولفونات به دلیل شفافیت زیاد و رسانایی بالا در تولید الکترود سلول های خورشیدی و دیود نشر نور آلی به کار می رود. یکی از مشکلات این پلیمر، عدم پایداری در محیطی مرطوب، زیر تابش فرابنفـش و دمای بالا است.
-
الکترود بر پایه نانوذره طلا
نانو ذره طلا به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، پراکندگی خوب و قابلیت بالای تنظیم مواد گرافنی، برای تولید الکترود شـفاف و رسانای خوب سلول خورشیدی به کار می رود.
-
الکترود بر پایه نانوسیم نقره
پروفسور کولمن و همکاران از نانوسیم نقره برای الکترود استفاده کردند که شفافیت 85 درصدی و مقاومت صفحه ای 13 را به دست آوردند. الکترود نهایی، بسیار منعطف بوده و مقاومـت آن هنگام فرآیند خمش دچار تغییر زیادی نشد.
در 2014، میناکشی و همکاران نانوسیم نقره را در تولید الکترود شفاف رسانا به کار بردند که متوجه شدند به دلیل اکسید نقره در مجاورت هوا، الکترود غایی مقاومت صفحه ای خیلی بالایی دارد.
-
الکترودهای برپایه گرافن
گرافیت یک ساختار لایه لایه ای دارد که هر لایه با پیوند ضعیف واندروالسی بهم وصل شده اند. مفهوم گرافن اولین مرتبه در 1947 توسط فیلیپ والس طرح شد.
گرافن یک ماده دو بعدی با ضخامتی از یک لایه کربن با اتصال هیبریدی اسـت کـه چهارمین الکترون پیوندی کربن آن به عنوان الکترون آزاد به جا مانده است. همچنین، گرافن تعداد لایه مختلفی دارد که بـا ضخامت یک، دو و یا سـه لایه کربـن است و آن ها را به ترتیـب گرافن تک لایه ای، دو لایه ای و سه لایه ای می گویند.
افزایش جذب سلول خورشیدی
سلول خورشیدی آلی دوجزئی نسبت به سـلول تک جزئی، دارای مزایای زیادی می باشد.
هرچند عملکرد سلول خورشیدی دو جزئی باتوجه به 20 سال قبل افزایش یافته است، امـا هنوز معایب و نقطه ضعف هایی در سلول خورشیدی دوجزئی وجود دارد.
سلول خورشیدی آلی سه جزئی
این سلول ها از ماده الکترون دهنده، الکتــرون گیرنده و جزء سوم (آلی یا معدنی، نیمه هادی یا عایق) تشکیل می شوند. در سال های اخیر اضافه کردن جزء سوم باعث شده است عملکرد تبدیل توان به 11 درصد بهبود پیدا کند.
مزایای سلول خورشیدی آلی سه جزئی
از مزایای سلول خورشیدی آلی سه جزئی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- قدرت جذب بیشتر و قویتر
- قدرت انتقال بار زیادتر
- تشخیص مسیر انتقال بار بهتر
- توانایی استخراج بار بیشتر در الکترود
- افزایش پایداری
فرآیندی که فتوولتائیک در سلول خورشیدی سه جزئی انجام می دهد خیلی متفاوت تر از سلول خورشیدی دوجزئـی است. در سلول خورشیدی سه جزئی محل قرارگرفتن جزء سوم، فرایند انتقال انرژی و انتقال بار را متفـاوت می کند.
تولید برق از آفتاب
دانشمندان با تولید و گسترش دو نوع سلول خورشیدی مختلف و تطابق آن ها با همدیگر، شرایط مناسبی برای جذب کردن نیروی خورشیدی و تبدیل به نیروی برق گزارش داده اند.
دو سلول خورشیدی با عملکرد 29/8 درصد، نتایج قابل چشمگیری در تولید انررژی برق از خود نشان داده اند. این فرآیند از روش ترکیبی تکنولوژی سلول خورشیدی به نام ایندیم گالیوم فسفید برای سلول بالا و تکنولوژی غیر همگون سیلیکون کریستالی برای سلول پایین، برای تبدیل نور خورشید به جریان الکتریسیته استفاده می کند. با این روش، دو طبقه سلول خورشیدی وارد فرآیند می شوند و باعث جمع کردن نور غیر متمرکز خورشید در خودشان می شوند و به طور پیوسته مورد بهره وری قرار می گیرند، در نتیجه منجر به تولید کردن نیروی الکتریسیته می شوند.
نکته خیلی مهم در این روش توجه به این موضوع است: مشکل مهمی که برای ساخت دستگاه خورشیدی به وجود می آید، به دلیل سلول ایندیوم گالیوم است. این سلول خورشیدی به خاطر تفاوت ضرایب انبساطی دمایی و عدم تطابق شبکه ای، به آسانی روی مواد سیلیکونی نمی تواند قرار بگیرد.
سلول های بالا و پایین با یک ماده چسبناک به هم متصل می شوند تا از تماس مستقیم این سلول ها جلوگیری شود و علاوه بر این انعطاف بسیار خوبی در برابر بی نظمی سطحی و ساختاری این دو سلول خورشیدی ایجاد کرده باشند.