سلول‌ خورشیدی چیست؟ و چگونه کار می‌کنند؟

امروزه با توجه به احتیاج بشر به انرژی برق و تولید برق از روش های مختلف برآن شدیم که شما رو با یکی از روش های تولید برق آشنا کنیم که از لحاظ فناوری یک روش بهینه و تقریبا مقرون به صرفه بوده و در همه مکان های کوچک و بزرگ قابل اجرا است.این فناوری که به سلول‌ خورشیدی معروف است.

احتمال زیاد ماشین حسابهای خورشیدی را دیده اید که حتی دکمه خاموش ندارند . دستگاه هایی که نیاز مبرم به باتری ندارند و تا زمانی که نور به اندازه کافی وجود داشته باشد زنده خواهند ماند . این تکنولوژی به سالهای قبل برمی گردد اما امروزه نیز پنل های خورشیدی بزرگتری را در جاده ها و کارخانجات می بینید مثل چراغ های راهنمایی خورشیدی ، لامپهای روشنایی جاده ها و حتی آبگرمکن های خورشیدی و خب لابد با خود فکر کرده اید که اصلا مکانیزم و فرآیند تولید انرژی الکتریکی از انرژی خورشیدی چگونه است . پس در ادامه با پورتال جامع مهندسین ایران همراه باشید.

سلول‌ خورشیدی چیست؟

یک سلول‌ خورشیدی یا سلول فوتوولتائیک یک دستگاه الکتریکی است که انرژی نور را مستقیما به برق توسط اثر فوتوولتائیک تبدیل می کند که یک پدیده فیزیکی و شیمیایی است.

این یک نوع سلول فوتوالکتریک است که به عنوان وسیله ای تعریف شده است که ویژگی های الکتریکی مانند جریان، ولتاژ یا مقاومت آن در هنگام نور در معرض تغییر است. دستگاه های سلول خورشیدی فرد می توانند برای تشکیل ماژول ها، به نام پانل های خورشیدی شناخته شوند.

استفاده از یک سلول فوتوولتائیک (PV) به سه ویژگی اساسی نیاز دارد:

• جذب نور، تولید جفت الکترون یا سوراخ یا اکسایتون.
• جداسازی حامل های شارژ از انواع مخالف.
• استخراج جداگانه آن حامل ها به مدار خارجی.

سلول‌ خورشیدی از چه چیزی ساخته شده است؟

سیلیکون، ماده‌ای است که از آن ترانزیستورها (سوئیچ‌های کوچک) در ریزتراشه‌ها ساخته می‌شوند. به طریقی مشابه، سلول‌های خورشیدی کار می‌کنند. سیلیکون یک نوع نیمه‌هادی است. برخی از مواد، به ویژه فلزات، به راحتی جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. این نوع مواد را هادی یا رسانا می‌نامیم.

مواد دیگر مانند پلاستیک و چوب، اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهند و به عنوان نارسانا یا عایق شناخته می‌شوند. نیمه‌هادی‌هایی مانند سیلیکون، نه رسانا هستند و نه عایق؛ به طور عادی الکتریسیته را هدایت نمی‌کنند، اما در شرایط خاص می‌توان آن‌ها را به انجام این کار وادار کرد.

سلول خورشیدی، به شکل یک ساندویچ از دو لایه مختلف سیلیکون ساخته می‌شود که آلایش خاصی (ناخالصی) در آن‌ها افزوده شده است، که این لایه‌ها از طریق یک روش خاص می‌توانند جریان الکتریکی را از طریق خود عبور دهند. لایه پایین به گونه‌ای آلاییده شده است که تعداد بسیار کمی الکترون دارد. این نوع سیلیکون به عنوان سیلیکون نوع p یا مثبت شناخته می‌شود (زیرا الکترون‌ها بار منفی دارند و تعداد کمی از آن‌ها در این لایه وجود دارد). به عکس العمل، لایه بالایی آلاییده می‌شود تا تعداد بیشتری الکترون داشته باشد. این لایه سیلیکون نوع n یا منفی نامیده می‌شود.

زمانی که یک لایه سیلیکون نوع n را روی یک لایه سیلیکون نوع p قرار می‌دهیم، در محل اتصال دو ماده (که یک مرز بسیار مهم است) یک سد ایجاد می‌شود. هیچ الکترونی نمی‌تواند از این سد عبور کند، بنابراین حتی اگر این ساندویچ سیلیکونی را به یک منبع تغذیه متصل کنیم، هیچ جریان الکتریکی برقرار نمی‌شود و لامپ روشن نخواهد شد. اما وقتی نور به این ساندویچ تابیده شود، اتفاق قابل توجهی رخ می‌دهد. می‌توانیم نور را به عنوان جریانی از ذرات نوری به نام فوتون در نظر بگیریم. وقتی فوتون‌ها وارد ساندویچ می‌شوند، انرژی خود را به اتم‌های سیلیکون منتقل می‌کنند. این انرژی ورودی باعث جدا شدن الکترون‌ها از لایه p پایین‌تر می‌شود، بنابراین آن‌ها از سد لایه n بالاتر عبور کرده و در مدار جریان الکتریکی قرار می‌گیرند. هر چه نور بیشتری بتابد، تعداد بیشتری الکترون به بالا حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی بیشتری برقرار می‌شود.

انواع سلول‌های خورشیدی

سلول‌های خورشیدی به شکل‌ها و ترکیبات مختلفی طراحی شده‌اند. در زیر، به برخی از انواع رایج سلول‌های خورشیدی اشاره می‌کنم:

۱. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی (Crystalline Silicon Solar Cells): این سلول‌ها از سیلیکون بلوری یا پلی‌کریستالین ساخته می‌شوند. آن‌ها به دو دسته سلول سیلیکونی تک بلوری (Monocrystalline Silicon) و سلول سیلیکونی چند بلوری (Polycrystalline Silicon) تقسیم می‌شوند. سلول‌های سیلیکونی از جمله پرکاربردترین و معمول‌ترین انواع سلول خورشیدی هستند.

۲. سلول‌های خورشیدی فیلم نازک (Thin-Film Solar Cells): این سلول‌ها از لایه نازکی از مواد مختلف مانند سیلیکون (amorphous silicon)، کادمیوم تلوراید (cadmium telluride) یا سلنید مس (copper indium gallium selenide) ساخته می‌شوند. این سلول‌ها از لحاظ ضخامت نسبت به سلول‌های سیلیکونی نازک‌تر هستند و به دلیل فرآیند ساخت ساده و هزینه تولید پایین، معمولاً در برنامه‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۳. سلول‌های خورشیدی دایره‌ای (Cylindrical Solar Cells): این سلول‌ها از ساختار استوانه‌ای برخوردارند و به عنوان سلول‌های خورشیدی سه‌بعدی نیز شناخته می‌شوند. طراحی استوانه‌ای آن‌ها باعث افزایش کارایی و تولید برق در شرایط نور کمتر می‌شود. این سلول‌ها به عنوان یک فناوری نوآورانه در حال توسعه و پژوهش هستند.

۴. سلول‌های خورشیدی آلی (Organic Solar Cells): این سلول‌ها از مواد آلی مانند پلیمرها یا مولکول‌های کربنی ساخته می‌شوند. آن‌ها دارای وزن سبک، انعطاف‌پذیری بالا و قابلیت تولید در اندازه‌ها و شکل‌های مختلف هستند. با این حال، به دلیل کارایی کمتر نسبت به سلول‌های سیلیکونی و عمر مفید کوتاه‌تر، هنوز در مراحل تحقیقاتی قرار دارند.

این تنها برخی از انواع سلول‌های خورشیدی هستند و توسعه و پیشرفت در این حوزه همچنان در حال اتوسعه و پیشرفت در این حوزه همچنان در حال انجام است. همچنین، ترکیبات و طراحی‌های جدیدی همچون سلول‌های پروسکایتیک (Perovskite Solar Cells) و سلول‌های خورشیدی آلی‌سیلیکونی (Organic-Silicon Hybrid Solar Cells) نیز در حال بررسی و تحقیقات می‌باشند. این تکنولوژی‌ها هدف دارند تا کارایی و کاربردهای سلول‌های خورشیدی را بهبود بخشند.

چگونه یک سلول‌ خورشیدی انرژی نور را به برق تولید می کند ؟

قبل از همه چیز باید بگویم که سلول های خورشیدی را با یک نام دیگر یعنی فتوولتاییک ( photovoltaic ) نیز میشناسند که فتو به معنی نور و ولتاییک به معنی الکتریسیته می باشد .همه این سلول ها در خود یک یا چند میدان الکتریکی دارند که باعث ایجاد ولتاژ می شوند .

در یک کریستال ، پیوندها ( بین اتم های سیلیکون) از الکترون تشکیل شده اند که بین تمام اتم های کریستال تقسیم شدند . وقتی نور به سطح کریستال می تابد جذب می شود . این نور باعث تحریک یکی از الکترونها در یکی از اتمها می شود و آن را به سطوح بالاتر انرژی ( دوستانی که درس فیزیک الکترونیک را پاس کرده اند کاملا متوجه عرائض بنده می شوند ) هدایت می کند .

این الکترون با این انرژی و با استفاده از میدان الکتریکی موجود ، در یک مسیر مشخص و با آزادی بیشتر نسبت به حالت قبلی که در بند بود حرکت می کند و حرکت آزادانه الکترون به معنی ایجاد جریان می باشد . با وصل کردن سیم مسی به بالا و پایین این سلول خورشیدی می توان جریان تولید شده را به تسخیر در آورد .

این جریان به همراه ولتاژ حاصل از میدان الکتریکی ، توان الکتریکی را تشکیل می دهند . این همان توانی است که مشخصه یک سلول خورشیدی می باشد یعنی فرضا می گویند این سلول ۵ وات هست .

معمولا سلول هایی که ۱۲ ولتی هستند بین ۱۶ تا ۲۰ ولت خروجی می دهند که برای رگوله کردن این ولتاژ از کنترل کننده شارژ استفاده می کنند . کار این کنترل کننده دقیقا مثل رگولاتورهای ولتاژ می باشد . از خروجی این کنترل کننده اگر مدار DC باشد مستقیما به آن می رود اما اگر مصرف کننده AC باشد باید ولتاژ خروجی کنترل کننده را ابتدا به باتری های قابل شارژ داد ( برای استفاده در زمانی که خورشید نیست ) سپس به یک مدار اینورتور که وظیفه اش تبدیل سیگنال DC به AC می باشد .

 

با سلول‌های خورشیدی چقدر برق می‌توانیم تولید کنیم؟

توان تولید برق سلول‌های خورشیدی بستگی به عوامل متعددی دارد، از جمله:

۱. کارایی سلول خورشیدی: کارایی سلول‌های خورشیدی به درصدی از توان نور خورشید که به برق تبدیل می‌شود، اشاره دارد. سلول‌های خورشیدی عموماً در محدوده ۱۵ تا ۲۵ درصد کارایی قرار دارند. به عبارت دیگر، اگر توان نور خورشیدی که بر سلول خورشیدی تابیده می‌شود ۱۰۰ وات باشد، توان برق تولیدی حدود ۱۵ تا ۲۵ وات خواهد بود.

۲. سطح واحد نصب شده: توان تولید برق سلول‌های خورشیدی بستگی به تعداد واحدهای نصب شده دارد. هر سلول خورشیدی انفرادی از توان محدودی برخوردار است، بنابراین با افزایش تعداد سلول‌ها، توان تولیدی برق افزایش می‌یابد.

۳. تابش خورشید: میزان تابش خورشید بر مساحت سلول‌های خورشیدی تأثیر زیادی دارد. مناطق با تابش خورشید بیشتر برای تولید برق خورشیدی بسیار مناسب‌تر هستند. عواملی مانند منطقه جغرافیایی، فصل سال، ساعت روز و شرایط آب‌وهوایی تابش خورشید را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

۴. شرایط محیطی دیگر: عواملی مانند دما، آفتاب‌سوزی، گردوغبار و سایر تحریک‌ها ممکن است توان تولید برق سلول‌های خورشیدی را تحت تأثیر قرار دهند.

با توجه به این عوامل، توان تولید برق سلول‌های خورشیدی متغیر است و نمی‌تان به طور کلی بگوییم که برای یک سلول خورشیدی خاص چقدر برق تولید می‌شود. با این حال، سیستم‌های خورشیدی خانگی معمولاً قادر به تولید چند کیلووات برق در حداکثر ساعات روزانه هستند، در حالی که نصب‌های بزرگتر می‌توانند توان برق تولیدی بیشتری داشته باشند و به مقدار مگاوات‌ها یا حتی گیگاوات‌ها برسند.