سلول خورشیدی چگونه کار میکند؟

انسان با پیشرفت‌هایی که درزمینه‌های مختلف کرده‌است، نیازی روزافزون به انرژی پیدا کرده وازاین رو درپی تأمین انرژی مورد نیاز از منابع مختلف تجدید پذیراست. یکی ازاین منابع که طی ۲۰ سال اخیر، از آن استفاده می‌شود، انرژی خورشیدی است. خورشید در هر ثانیه حدود ۱۰۰۰ ژول انرژی به هر متر مربع از سطح زمین منتقل می‌کند که با جمع‌آوری کردن آن می‌توان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تأمین کرد. سلول خورشیدی نیز یک تکنولوژی است که با استفاده ازاثرفوتوولتائیک برای تولید برق از آن استفاده می کنند. دراین مقاله همراه ما باشید، تا با سلول‌های خورشیدی که چگونه کارمی کنند، آشنا شوید.

دریافت انرژی خورشیدی: برای دریافت انرژی خورشیدی می‌توان از مبدل‌های انرژی خورشیدی استفاده کرد. این مبدل‌ها با جذب نورخورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی یا حرارتی کار می‌کنند. برخی مبدل‌های انرژی خورشیدی عبارتند از:
سلول‌های ‌فوتوولتائیک با استفاده از فوتوولتائیک نورخورشید را جذب کرده وبه انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سلول‌ها می‌توانند در ناحیه نورمرئی خورشید کار کنند.
اجاق‌های خورشیدی با استفاده از تابش خورشید نور را جذب می‌کنند و به انرژی حرارتی تبدیل می‌کنند. اجاق‌های خورشیدی می‌توانند برای اهداف مختلفی مانند پخت و پز، خشک کردن و پاستوریزاسیون استفاده شوند.
سامانه‌های فتوولتاییک با استفاده از تکنیک‌های فتوولتاییک نورخورشید را جذب کرده وبه انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سامانه‌ها می‌توانند برای تولید برق خودکار در مناطقی که به خورشید دسترسی ندارند،استفاده شوند. برای استفاده بهینه از انرژی خورشیدی، می‌توان از تکنیک‌های مختلفی مانند استفاده مبدل‌های انرژی خورشیدی با بازده بالا یا استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک که می‌توانند موقعیت خورشید را دنبال کنند، استفاده کرد.

سلول خورشیدی چیست؟
سلول خورشیدی یک تکنولوژی است که با استفاده ازاثرفوتوولتائیک (اثرفوتون‌ها) برای تولید برق استفاده می‌شود. این سلول‌ها به طورکلی ازماده‌ای به نام سیلیکون ساخته می‌شوند که درشن وماسه یافت می‌شود. سیلیکون یک نیمه‌هادی است وبعضی ازمواد، به ویژه فلزات، به راحتی جریان برق را از خود عبور می‌دهند. سلول‌های خورشیدی به روشی مشابه کارمی‌کنند ویک ساندویچ از دو لایه مختلف سیلیکون هستند که به طور خاص آلاییده شده‌اند. وقتی نور خورشید به سلول خورشیدی می‌تابد، انرژی الکترون‌ها را به خارج ازسیلیکون هدایت می‌کند و این الکترون‌ها می‌توانند درمدار الکتریکی جریان پیدا کنند وانرژی الکتریکی را تأمین کنند. این سلول‌ها می‌توانند برای تولید برق در دستگاه‌های مختلفی مانند لمپ‌ها، ماشین‌حساب‌ها و سفینه‌های فضای استفاده شوند.

نحوه کار سلول خورشیدی
سلول خورشیدی با استفاده از نورخورشید و انرژی الکترونی که دراین فرآیند تولید می‌شود. این سیستم‌ها از سیلیکون ساخته شده‌اند و دارای دو لایه سیلیکون هستند، یکی نوع n (آبی) و دیگری نوع p (قرمز). وقتی نورخورشید به سلول می‌تابد، فوتون‌ها یا ذرات نور،سطح بالایی را بمبارانند. فوتون‌ها انرژی خود را به الکترون‌ها درلایه پایین‌تر و نوع P می‌دهند. در نتیجه، الکترون‌ها ازاین انرژی برای پرش از طریق سد به لایه فوقانی نوع n و گردش از مداراستفاده می‌کنند، به عنوان نتیجه این فرآیند، جریان برق تولید میشود. سلول های خورشیدی می‌توانند در انواع مختلف برنامه‌های استفاده ازنور خورشید مانند تأمین انرژی خانه، انرژی گرمایی خورشیدی،آشپزی، وحتی در اجاق خورشیدی استفاده شوند.

سلول های خورشیدی چگونه ساخته میشوند.
سلول‌های خورشیدی از مواد مختلفی تشکیل شده‌اند که عمدتاً ازسیلیکون ساخته می‌شوند. سیلیکون یک ماده کریستالی است که با ضخامت‌های مختلف از 300 تا 500میکرومتراستفاده می‌شود واین ضخامت‌ها به نسل‌های مختلف سلول‌های خورشیدی مرتبط هستند. در نسل اول، سیلیکون با ضخامت‌های بین ۳۰۰ تا 40۰ میکرومتر ساخته می‌شود ودر نسل دوم، ضخامت‌های بین 5 تا 30 میکرومتر را دارد.
سلول‌های خورشیدی نسل اول و نسل دوم عمدتاً از فناوری سیلیکونی با ضخامت‌های متفاوت ساخته می‌شوند. نسل اول شامل سیلیکون با ضخامت‌های بالاتر است و به نوع ساختاربلوری یا چند بلوری دارد.
به طورکلی، سلول‌های خورشیدی با توجه به نسل فناوریی مورد استفاده، ازمواد مختلفی ساخته شده‌اند وهر یک از این سلول‌ها خصوصیات و کارایی‌های متفاوتی دارند.

انواع سلول‌های خورشیدی
سلول‌های خورشید از انواع مختلفی تشکیل شده‌اند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند:
سلول‌های فتوولتائیک: این سلول‌ها از مواد سیلیکونی ساخته شده‌اند که به عنوان مواد نیمه رسانا عمل میکنند. نور با این مواد برخورد می‌کند وبخشی ازانرژی آن توسط آن‌ها جذب می‌شود تا انرژی به الکترون‌های سست ضربه بزند و آن‌ها را آزاد کند. سلول‌های فتوولتائیک میدان الکتریکی دارند که به عنوان اجبار برای الکترون‌های آزاد شده عمل می‌کند.

فناوری نسل اول:
این فناوری بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت 400-300 میکرومتراست و ساختارهای بلوری یا چند بلوری دارند. این ساختارها میتوانند از بریدن شمش بدست آمده یا از روش EFG با استفاده از خاصیت مویینگی رشد کنند.

فناوری نسل دوم:
این فناوری برپایه لایه نشانی نیمه هادی روی بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری است ودر ضخامت‌های۵-3 است. هزینه مواد اولیه در ین تکنولوژی پایین‌تر است و اندازه سلول تا 100 برابر بزرگتراز نسل اول است.

سلول‌های خورشیدی مبتنی برمواد آلی:
این سلول‌ها بازدهی کمتری نسبت به سلول‌های فتوولتائیک دارند اما به دلیل هزینه ساخت کمترو قابلیت انعطاف‌پذیری برای مصارف غیرصنعتی، مناسب‌تراست.

فناوری نسل سوم:
این سلول‌ها با بازدهی‌هایی بیشتراز سلول‌های نسل اول و دوم می‌توانند تولید شوند. این سلول‌ها شامل سلول‌های متوالی، سلول‌های خورشیدی چاه کوانتومی، سلول‌های خورشیدی نقطه کوانتومی، سلول‌های حامل داغ میشوند.

بازدهی سلول‌های خورشیدی در بهترین حالت حداکثر۳۰ درصد است و این مقدار تقریباً سه برابر بیشتراز بازدهی نهایی سلول‌های نسل اول و دوم است. اما دستیابی به سلول‌هایی با بازدهی‌هایی دوتا سه برابربازدهی‌های کنونی، امکان پذیراست. بازدهی سلول‌های خورشیدی نسل اول و دوم در بهترین حالت حدود ۳۰٪ است، در حالی که حد کارنو برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی ۹۵٪ است. بنابراین، سلول‌های خورشیدی نسل سوم که دارای بازدهی‌های بیشتر به ۱۵۰٪ از حوالی ۳۰٪هستند،امکان‌پذیر است.

مزایای سلول های خورشیدی
– سیستم خورشیدی به عنوان یک تکنولوژی استاندارد شناخته شده‌اند و می‌توانند برق مورد نیازرا ازانرژی خورشیدی تأمین کنند.
– پنل خورشیدی درهمه شرایط آب‌وهوایی کار میکنند، حتی دردماهای پایین درشرایط آب‌وهوایی مختلف مانند برف، بارونی، بارش تگرگ حتی طوفان.
– این سیستم‌ها می‌توانند درمناطقی که دسترسی به شبکه‌های معمولی انرژی ندارند، مانند کویر، برق تولید کنند.
– سیستم‌های خورشیدی نیاز به نگهداری کم وسالیانه به سرویس و تمیز کردن دارند، که هزینه‌های نگهداری کمی است.
– احداث نیروگاه‌های خورشیدی فرصت‌های سرمایه‌گذاری با سودآوری مناسب را فراهم می‌کند.

با این حال، برخی ازمعایب سیستم‌های خورشیدی نیزوجود دارد که شامل عدم کارکرد درشب، کیفیت متفاوت بین مدل‌ها، هزینه بالای نیروگاه‌های خورشیدی، آسیب‌رسانی به سقف خانه‌ها، جذابیت نامناسب ظاهری وبازده کم دربرخی موارد است.

سلول‌های خورشیدی چقدر انرژی تولید میکنند؟
سلول‌های خورشیدی انرژی که تولید می‌کنند با استفاده از نورخورشید فرایند فتوولتائیکی. هنگامی که نور خورشید به سلول خورشیدی می‌تابد، فوتون‌ها (ذرات نور) سطح بالایی را بمباران می‌کنند. این فوتون‌ها انرژی خود را به الکترون‌ها درلایه پایین‌تر و نوع P می‌دهند. الکترون‌ها ازاین انرژی برای پرش از طریق سد به لایه فوقانی نوع n و گردش ازمداراستفاده میکنند. میزان برق تولیدی پنل‌های خورشیدی به سه عامل اصلی بستگی دارد: اندازه پنل خورشیدی، راندمان پنل خورشیدی، و میزان نوری که بر پنل تابیده می‌شود. اما برای مشخص کردن به دقت انرژی تولیدی سلول‌های خورشیدی، نیا به اطلاعات بیشتری ازجمله مشخصات فنی سیستم خورشیدی، میزان نوری دریافتی و کارایی فیزیکی سلول‌ها داریم که در منابع فراهم شده ذکر نشده است.

---) صحبت نهایی:
سلول های خورشیدی، که به عنوان سلول فتوولتاییک نیزنامیده می‌شود، یک دستگاه الکترونیکی است که نور را مستقیماً به برق تبدیل میکند با استفاده از اثر فتوولتاییک. این یک نوع سلول فتوولتایی است که ویژگی‌های الکتریکی آن (جریان مانند، ولتاژ یا مقاومت) زمانی است که با نورمی‌شود، تغییرمی‌کنند. سلول‌های خورشیدی معمولی ساختارهای الکتریکی ماژول‌های فتوولتاییک یا به عنوان معمول محلی «پنل‌های خورشیدی» هستند.