راز و رمز سلول خورشیدی: چگونه نور خورشید به برق تبدیل می‌شود؟

اثر فوتوولتائیک فرآیند اساسی و بنیادینی است که در آن یک سلول خورشیدی (PV Cell) نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کند. نور خورشید از ذرات کوچکی به نام فوتون تشکیل شده است که حامل انرژی خورشیدی هستند. هر فوتون، بسته به طول موج خود، مقدار مشخصی انرژی دارد. این تفاوت در انرژی فوتون‌ها، طیف متنوعی از رنگ‌ها و انرژی‌ها را در نور خورشید ایجاد می‌کند.

بنابراین، سلول خورشیدی با بهره‌گیری از اثر فوتوولتائیک و جذب فوتون‌ها، گامی مهم در تولید انرژی پاک و پایدار برمی‌دارد.

سلول خورشیدی چگونه کار می‌کند؟

وقتی فوتون‌های نور به سطح یک سلول خورشیدی برخورد می‌کنند، سه حالت ممکن است رخ دهد: منعکس شوند، از سلول عبور کنند یا جذب شوند. تنها فوتون‌هایی که جذب می‌شوند، در تولید الکتریسیته نقش دارند.

هنگامی که یک فوتون توسط سلول خورشیدی (که از جنس نیمه‌رسانا است) جذب می‌شود، انرژی خود را به یکی از الکترون‌های اتم‌های سازنده سلول منتقل می‌کند. این الکترون با دریافت انرژی، از مدار خود جدا شده و به جریان الکتریکی در یک مدار خارجی می‌پیوندد. جدا شدن الکترون از اتم، باعث ایجاد حفره‌ای با بار مثبت می‌شود.

ویژگی‌های الکتریکی خاص سلول خورشیدی، به ویژه یک میدان الکتریکی داخلی، ولتاژ لازم را برای به حرکت درآوردن این جریان در یک مدار خارجی (مانند یک لامپ) فراهم می‌کند. به این ترتیب، نور خورشید به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می‌شود.

انواع P، N و میدان الکتریکی در سلول خورشیدی

برای ایجاد میدان الکتریکی در یک سلول خورشیدی، دو نوع نیمه‌رسانا با خواص متفاوت به یکدیگر متصل می‌شوند: نوع P و نوع N. این نام‌گذاری به ترتیب به فراوانی حفره‌ها (بار مثبت) و الکترون‌ها (بار منفی) در ساختار آن‌ها اشاره دارد.

اگرچه هر دو نوع نیمه‌رسانا به طور الکتریکی خنثی هستند، سیلیکون نوع N دارای الکترون‌های اضافی و سیلیکون نوع P دارای حفره‌های اضافی است. با قرار دادن این دو نوع در کنار هم، در محل اتصال آن‌ها یک پیوند P-N ایجاد می‌شود که این پیوند، میدان الکتریکی مورد نیاز را تولید می‌کند.

هنگامی که نیمه‌رساناهای نوع P و N به هم متصل می‌شوند، الکترون‌های اضافی در ماده نوع N به سمت ماده نوع P حرکت می‌کنند و حفره‌ها نیز در جهت مخالف، به سمت ماده نوع N می‌روند. این تبادل الکترون و حفره در محل اتصال، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که مشابه عملکرد یک باتری است. این میدان الکتریکی، الکترون‌ها را به سمت سطح سلول هدایت کرده و آن‌ها را برای جریان یافتن در مدار الکتریکی آماده می‌کند. به طور همزمان، حفره‌ها به سمت سطح مثبت حرکت کرده و در انتظار دریافت الکترون‌های جدید می‌مانند.

جذب و هدایت: ارکان اصلی عملکرد سلول خورشیدی

در یک سلول خورشیدی، فوتون‌ها در لایه P جذب می‌شوند. تنظیم دقیق خواص این لایه برای جذب حداکثری فوتون‌ها و در نتیجه آزادسازی هرچه بیشتر الکترون‌ها، از اهمیت بالایی برخوردار است. چالش دیگر، جلوگیری از برخورد و ترکیب مجدد الکترون‌ها با حفره‌ها پیش از خروج از سلول است.

برای حل این مشکل، مواد سازنده سلول خورشیدی به گونه‌ای طراحی می‌شوند که الکترون‌ها در نزدیک‌ترین فاصله به پیوندگاه P-N آزاد شوند. به این ترتیب، میدان الکتریکی می‌تواند به سرعت آن‌ها را از طریق لایه هدایت (لایه N) به مدار الکتریکی خارجی هدایت کند.

با بهینه‌سازی این ویژگی‌ها – حداکثرسازی جذب، حداقل‌سازی انعکاس و ترکیب مجدد، و حداکثرسازی هدایت – می‌توان بازده تبدیل انرژی در سلول خورشیدی را به طور چشمگیری افزایش داد. به عبارت دیگر، یک سلول خورشیدی کارآمد، سلولی است که بیشترین میزان نور خورشید را جذب کرده، کمترین اتلاف را داشته و بیشترین میزان جریان الکتریکی را تولید کند.

ساخت مواد N و P برای سلول خورشیدی

رایج‌ترین روش برای تولید مواد سیلیکونی نوع P یا نوع N، افزودن عناصری است که یک الکترون اضافی داشته یا فاقد یک الکترون باشند. در مورد سیلیکون، از فرآیندی به نام "دوپینگ" استفاده می‌کنیم.

سیلیکون را به عنوان مثال در نظر می‌گیریم زیرا سیلیکون کریستالی، ماده نیمه‌رسانایی بود که در اولین دستگاه‌های موفق سلول خورشیدی مورد استفاده قرار گرفت و هنوز هم پرکاربردترین ماده PV است. اگرچه مواد و طرح‌های PV دیگر، از اثر فوتوولتائیک به روش‌های کمی متفاوت بهره می‌برند، اما دانستن اینکه این اثر در سیلیکون کریستالی چگونه کار می‌کند، درک اولیه‌ای از نحوه عملکرد آن در همه دستگاه‌ها به ما می‌دهد.

همانطور که در نمودار ساده‌شده بالا نشان داده شده است، سیلیکون 14 الکترون دارد. چهار الکترونی که در بیرونی‌ترین سطح انرژی، یا سطح "ظرفیت"، به دور هسته می‌چرخند، به اتم‌های دیگر داده می‌شوند، از آن‌ها گرفته می‌شوند یا با آن‌ها به اشتراک گذاشته می‌شوند.

توصیف اتمی سیلیکون

تمام مواد از اتم‌ها تشکیل شده‌اند. اتم‌ها نیز به نوبه خود از پروتون‌های با بار مثبت، الکترون‌های با بار منفی و نوترون‌های خنثی تشکیل شده‌اند. پروتون‌ها و نوترون‌ها که تقریباً اندازه یکسانی دارند، هسته مرکزی متراکم اتم را تشکیل می‌دهند، جایی که تقریباً تمام جرم اتم در آن قرار دارد. الکترون‌های بسیار سبک‌تر با سرعت بسیار بالا به دور هسته می‌چرخند. اگرچه اتم از ذرات با بار مخالف ساخته شده است، اما بار کلی آن خنثی است زیرا حاوی تعداد مساوی پروتون‌های مثبت و الکترون‌های منفی است.

توصیف اتمی سیلیکون - مولکول سیلیکون

الکترون‌ها بسته به سطح انرژی خود در فواصل مختلفی به دور هسته می‌چرخند. الکترونی که انرژی کمتری دارد در نزدیکی هسته می‌چرخد، در حالی که الکترونی که انرژی بیشتری دارد دورتر می‌چرخد. الکترون‌هایی که از هسته دورتر هستند، با الکترون‌های اتم‌های مجاور تعامل می‌کنند تا نحوه تشکیل ساختارهای جامد را تعیین کنند.

اتم سیلیکون 14 الکترون دارد، اما آرایش مداری طبیعی آن‌ها فقط به چهار الکترون بیرونی اجازه می‌دهد که به اتم‌های دیگر داده شوند، از آن‌ها پذیرفته شوند یا با آن‌ها به اشتراک گذاشته شوند. این چهار الکترون بیرونی، که الکترون‌های "ظرفیت" نامیده می‌شوند، نقش مهمی در اثر فوتوولتائیک ایفا می‌کنند.

تعداد زیادی از اتم‌های سیلیکون، از طریق الکترون‌های ظرفیت خود، می‌توانند به یکدیگر متصل شوند و یک کریستال را تشکیل دهند. در یک جامد کریستالی، هر اتم سیلیکون به طور معمول یکی از چهار الکترون ظرفیت خود را در یک پیوند "کووالانسی" با هر یک از چهار اتم سیلیکون مجاور به اشتراک می‌گذارد. سپس، جامد از واحدهای اساسی پنج اتم سیلیکون تشکیل شده است: اتم اصلی به علاوه چهار اتم دیگر که الکترون‌های ظرفیت خود را با آن به اشتراک می‌گذارد. در واحد اساسی یک جامد سیلیکونی کریستالی، یک اتم سیلیکون هر یک از چهار الکترون ظرفیت خود را با هر یک از چهار اتم مجاور به اشتراک می‌گذارد.

بنابراین، کریستال جامد سیلیکون از یک سری منظم از واحدهای پنج اتم سیلیکون تشکیل شده است. این آرایش منظم و ثابت اتم‌های سیلیکون به عنوان "شبکه کریستالی" شناخته می‌شود.

فسفر به عنوان ماده نیمه رسانا

فرآیند "دوپینگ" اتمی از عنصر دیگری را وارد کریستال سیلیکون می‌کند تا خواص الکتریکی آن را تغییر دهد. ماده دوپ‌کننده دارای سه یا پنج الکترون ظرفیت است، در حالی که سیلیکون دارای چهار الکترون است.

اتم‌های فسفر که دارای پنج الکترون ظرفیت هستند، برای دوپینگ سیلیکون نوع n استفاده می‌شوند (زیرا فسفر پنجمین الکترون آزاد خود را فراهم می‌کند).

یک اتم فسفر همان مکانی را در شبکه کریستالی اشغال می‌کند که قبلاً توسط اتم سیلیکونی که جایگزین آن شده بود، اشغال شده بود. چهار الکترون ظرفیت آن مسئولیت‌های پیوند چهار الکترون ظرفیت سیلیکون را که جایگزین آن‌ها شده‌اند بر عهده می‌گیرند. اما پنجمین الکترون ظرفیت بدون مسئولیت پیوند باقی می‌ماند. هنگامی که تعداد زیادی اتم فسفر در یک کریستال جایگزین سیلیکون می‌شوند، الکترون‌های آزاد بسیاری در دسترس قرار می‌گیرند.

جایگزینی یک اتم فسفر (با پنج الکترون ظرفیت) برای یک اتم سیلیکون در یک کریستال سیلیکون، یک الکترون اضافی و غیر پیوندی باقی می‌گذارد که نسبتاً آزاد است تا در اطراف کریستال حرکت کند.

رایج‌ترین روش دوپینگ، پوشاندن بالای یک لایه سیلیکون با فسفر و سپس گرم کردن سطح است. این کار به اتم‌های فسفر اجازه می‌دهد تا در سیلیکون پخش شوند. سپس دما کاهش می‌یابد تا سرعت انتشار به صفر برسد. سایر روش‌های وارد کردن فسفر به سیلیکون شامل انتشار گازی، فرآیند اسپری دوپ‌کننده مایع و تکنیکی است که در آن یون‌های فسفر به طور دقیق به سطح سیلیکون رانده می‌شوند.

بور به عنوان ماده نیمه رسانا

البته، سیلیکون نوع n به تنهایی نمی‌تواند میدان الکتریکی را تشکیل دهد. لازم است که برخی از سیلیکون‌ها تغییر یابند تا خواص الکتریکی متضادی داشته باشند. بنابراین، بور، که دارای سه الکترون ظرفیت است، برای دوپینگ سیلیکون نوع p استفاده می‌شود. بور در طول فرآوری سیلیکون، جایی که سیلیکون برای استفاده در دستگاه‌های PV خالص می‌شود، وارد می‌شود. هنگامی که یک اتم بور در شبکه کریستالی موقعیتی را به خود می‌گیرد که قبلاً توسط یک اتم سیلیکون اشغال شده بود، یک پیوند فاقد الکترون (به عبارت دیگر، یک حفره اضافی) وجود دارد.

جایگزینی یک اتم بور (با سه الکترون ظرفیت) برای یک اتم سیلیکون در یک کریستال سیلیکون یک حفره (یک پیوند فاقد الکترون) باقی می‌گذارد که نسبتاً آزاد است تا در اطراف کریستال حرکت کند.

سایر مواد نیمه رسانا

مانند سیلیکون، تمام مواد PV باید به تنظیمات نوع p و نوع n ساخته شوند تا میدان الکتریکی لازم را ایجاد کنند که مشخصه یک سلول خورشیدی است. اما این کار به روش‌های مختلفی انجام می‌شود، بسته به ویژگی‌های ماده. به عنوان مثال، ساختار منحصر به فرد سیلیکون آمورف یک لایه ذاتی (یا لایه i) را ضروری می‌کند. این لایه غیر دوپ شده از سیلیکون آمورف بین لایه‌های نوع n و نوع p قرار می‌گیرد تا آنچه را که طراحی "p-i-n" نامیده می‌شود، تشکیل دهد.

لایه‌های نازک پلی کریستالی مانند دی‌سلنید مس ایندیوم (CuInSe2) و کادمیوم تلورید (CdTe) نوید بزرگی برای سلول‌های خورشیدی نشان می‌دهند. اما این مواد را نمی‌توان به سادگی دوپ کرد تا لایه‌های n و p را تشکیل دهند. در عوض، از لایه‌های مواد مختلف برای تشکیل این لایه‌ها استفاده می‌شود. به عنوان مثال، از یک لایه "پنجره" از سولفید کادمیوم یا مواد مشابه برای فراهم کردن الکترون‌های اضافی لازم برای تبدیل آن به نوع n استفاده می‌شود. CuInSe2 خود می‌تواند به نوع p تبدیل شود، در حالی که CdTe از یک لایه نوع p ساخته شده از موادی مانند تلورید روی (ZnTe) بهره می‌برد.

آرسنید گالیم (GaAs) نیز به طور مشابه، معمولاً با ایندیوم، فسفر یا آلومینیوم، اصلاح می‌شود تا طیف گسترده‌ای از مواد نوع n و p تولید شود.

بازده تبدیل انرژی در سلول خورشیدی

*بازده تبدیل انرژی یک سلول خورشیدی نسبتی از انرژی نور خورشید است که سلول به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این موضوع هنگام بحث در مورد دستگاه‌های PV بسیار مهم است، زیرا بهبود این بازده برای رقابتی کردن انرژی PV با منابع انرژی سنتی‌تر (مانند سوخت‌های فسیلی) حیاتی است. طبیعتاً، اگر یک پنل خورشیدی کارآمد بتواند به اندازه دو پنل کم‌بازده‌تر انرژی تولید کند، هزینه آن انرژی (بدون در نظر گرفتن فضای مورد نیاز) کاهش می‌یابد. برای مقایسه، اولین دستگاه‌های PV حدود 1٪ -2٪ از انرژی نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کردند. دستگاه‌های PV امروزی 7٪ -17٪ از انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. البته، جنبه دیگر معادله، هزینه ساخت دستگاه‌های PV است. این نیز در طول سال‌ها بهبود یافته است. در واقع، سیستم‌های PV امروزی برق را با کسری از هزینه سیستم‌های PV اولیه تولید می‌کنند.