سلول خورشیدی چیست؟ معرفی کامل سلول های خورشیدی

سلول خورشیدی برای جمع آوری انرژی الکتریکی استفاده میشود. سلول خورشیدی از طریق فرآیند فتوولتائیک نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل میکند.  انواع مختلفی از سلول های خورشیدی وجود دارد که همگی از نیمه هادی ها برای برهم کنش با فوتون های ورودی از خورشید به منظور تولید جریان الکتریکی استفاده می کنند.

سلول خورشیدی چیست؟

سلول‌های خورشیدی از لایه‌هایی از سیلیکون کریستالی ساخته شده‌اند که با یک لایه بسیار سخت و محافظ از شیشه غیر بازتابنده پوشانده شده‌اند. سلول های خورشیدی متصل به هم یک پنل خورشیدی ایجاد می کنند.

سلول خورشیدی (به عنوان سلول فتوولتائیک یا سلول PV نیز شناخته می شود) یک وسیله است که انرژی نور را از طریق اثر فتوولتائیک به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. یک سلول خورشیدی اساساً یک دیود با پیوند p-n است. سلول های خورشیدی شکلی از سلول فوتوالکتریک هستند که ویژگی های الکتریکی آن مانند جریان، ولتاژ، یا مقاومت هنگام قرار گرفتن در معرض نور متفاوت است.

سلول های خورشیدی را می توان برای تشکیل ماژول هایی که معمولاً به عنوان پانل های خورشیدی شناخته می شوند ترکیب کرد. سلول خورشیدی سیلیکونی معمولی می تواند ولتاژ تقریباً 0.5 تا 0.6 ولت تولید کند. این به خودی خود چیز زیادی نیست اما به یاد داشته باشید که این سلول های خورشیدی کوچک هستند. هنگامی که در یک پنل خورشیدی بزرگ ترکیب می شود، می توانند مقادیر قابل توجهی انرژی تجدید پذیر تولید کنند.

نحوه کار سلول خورشیدی

اصل کار سلول خورشیدی بسیار ساده است. نحوه ایجاد جریان الکتریکی به وسیله سلول خورشیدی را میتوان در 4 مرحله زیر توضیح داد.

1. یک سلول خورشیدی از دو لایه سیلیکون تشکیل شده است که در هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید، جریان الکتریسیته از آنها عبور می کند.
2. یک لایه دارای بار مثبت و لایه دیگر دارای بار منفی است.
3. با ورود فوتون ها به لایه ها، انرژی خود را به شکل الکترون به اتم های سیلیکون می دهند.
4. هنگامی که فوتون ها به لایه های سیلیکون برخورد می کنند، الکترون ها از محل اتصال بین لایه های مثبت و منفی عبور می کنند و جریان الکتریکی تولید می کنند.

مزایا و معایب سلول خورشیدی

اگرچه سلول خورشیدی دارای معایبی است، اما انتظار می‌رود با پیشرفت فناوری، معایب برطرف شود، زیرا با پیشرفت فناوری، هزینه صفحات خورشیدی و همچنین هزینه نصب کاهش می‌یابد. علاوه بر این، دولت تاکید زیادی بر انرژی خورشیدی دارد، بنابراین پس از چند سال ممکن است انتظار داشته باشیم که هر خانه و همچنین هر سیستم الکتریکی از انرژی خورشیدی یا منبع انرژی تجدید پذیر تغذیه شود.

مزایا سلول های خورشیدی:

• باعث ایجاد آلودگی نمیشود.
• طول عمر بالایی دارد.
• هزینه نگهداری ندارد.

معایب سلول های خورشیدی:

• هزینه اولیه بالایی دارد.
• راندمان پایینی دارد.
• در روز ابری نمی تواند انرژی تولید کند.
• در شب انرژی خورشیدی دریافت نمی شود.

کاربرد سیستم های تولید انرژی خورشیدی

• برای شارژ باتری استفاده میشوند.
• در نور سنج استفاده می شوند.
• برای برق رسانی به ماشین حساب و ساعت مچی استفاده می شوند.
• می توان از آن در فضاپیماها برای تامین انرژی الکتریکی استفاده کرد.

ساخت سلول خورشیدی

یک سلول خورشیدی اساساً یک دیود است، اگرچه ساختار آن کمی با دیودهای p-n معمولی متفاوت است. یک لایه بسیار نازک از نیمه هادی نوع n روی یک نیمه هادی نسبتاً ضخیم تر از نوع p قرار میگیرد. سپس چند الکترود ریزتر در بالای لایه نیمه هادی نوع n اعمال می شود.

این الکترودها مانع رسیدن نور به لایه نازک نوع n نمی شوند. درست در زیر لایه n یک اتصال p-n وجود دارد. همچنین یک الکترود جمع‌آوری جریان در پایین لایه نوع p قرار میگیرد. کل مجموعه با استفاده از یک لایه شیشه پوشانده میشود تا از آسیب های فیزیکی جلوگیری کند.

مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی

موادی که برای ساخت سلول های خورشیدی استفاده می شوند باید دارای فاصله باند نزدیک به 1.5ev باشند. مواد رایج مورد استفاده عبارتند از:

• سیلیکون
• GaAs
• CdTe
• CuInSe2

معیارهای مواد مورد استفاده در سلول خورشیدی:

• باید فاصله باند از 1ev تا 1.8ev داشته باشد.
• باید جذب نوری بالایی داشته باشد.
• باید رسانایی الکتریکی بالایی داشته باشد.
• مواد اولیه باید به وفور در دسترس باشد و هزینه مواد باید کم باشد.

سلول های خورشیدی چقدر انرژی تولید میکنند؟

از لحاظ تئوی انرژی خیلی زیادی را تولید میکنند. بیایید سلول های خورشیدی را برای لحظه ای فراموش کنیم و فقط نور خورشید خالص را در نظر بگیریم. تا 1000 وات انرژی خام خورشیدی به هر متر مربع زمین برخورد می کند (این توان نور مستقیم خورشید در ظهر در یک روز بدون ابر است با پرتوهای خورشیدی که عمود بر سطح زمین تابش می کنند و حداکثر روشنایی یا تابش را ایجاد می کنند.).

در عمل، پس از اینکه ما شیب سیاره و زمان روز را تصحیح کردیم، بهترین چیزی که احتمالاً به دست می آوریم شاید 100 تا 250 وات بر متر مربع در عرض های جغرافیایی معمولی شمالی (حتی در یک روز بدون ابر) باشد. این مقدار به حدود 2 تا 6 کیلووات ساعت در روز تبدیل می شود (بسته به این که آیا در یک منطقه شمالی مانند کانادا یا اسکاتلند هستید یا در جایی گرم تر مانند آریزونا یا مکزیک هستید). ضرب این مقدار در تولید یک سال چیزی بین 700 تا 2500 کیلووات ساعت در هر متر مربع (700-2500 واحد برق) به ما می دهد.

مناطق گرمتر به وضوح پتانسیل خورشیدی بسیار بیشتری دارند: برای مثال خاورمیانه 50 تا 100 درصد بیشتر از اروپا انرژی خورشیدی مفید دریافت می کند.

متأسفانه، سلول‌های خورشیدی معمولی تنها حدود 15 درصد کارآمد هستند، بنابراین ما فقط می‌توانیم کسری از این انرژی نظری را دریافت کنیم: شاید 4 تا 10 وات بر متر مربع. به همین دلیل است که پنل‌های خورشیدی باید بسیار بزرگ باشند: میزان انرژی که می‌توانید تولید کنید، مستقیما به میزان مساحتی که می‌توانید از سلول‌ها استفاده کنید ربط دارد. یک سلول خورشیدی منفرد (تقریبا به اندازه یک دیسک فشرده) می تواند حدود 3-4.5 وات تولید کند. یک ماژول خورشیدی معمولی ساخته شده از آرایه ای از حدود 40 سلول (5 ردیف 8 سلولی) می تواند حدود 100-300 وات تولید کند. بنابراین، چندین پنل خورشیدی، که هر کدام از حدود 3 تا 4 ماژول ساخته شده‌اند، می‌توانند حداکثر چند کیلووات را تولید کنند که احتمالاً به اندازه‌ای است که نیازهای برق یک خانه را برآورده کند).