1-1- پیشگفتار
انرژی خورشیدی منحصربه‌فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین می‌باشد. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد[[i]].
به طور کلی انرژی متصاعد شده از خورشید در حدود 3.8e23 کیلووات در ثانیه می‌باشد. ایران با داشتن حدود ۳۰۰ روز آفتابی در سال جزو بهترین کشورهای دنیا در زمینه پتانسیل انرژی خورشیدی می‌باشد. با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و پراکندگی روستاهای کشور، استفاده از انرژی خورشیدی یکی از مهمترین عواملی است که باید مورد توجه قرار گیرد. استفاده از انرژی خورشیدی یکی از بهترین راه های برق رسانی و تولید انرژی در مقایسه با دیگر مدلهای انتقال انرژی به روستاها و نقاط دور افتاده در کشور از نظر هزینه، حمل‌نقل، نگهداری و عوامل مشابه می‌باشد[1].
با توجه به استانداردهای بین‌المللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از ۳.۵ کیلووات ساعت در مترمربع باشد استفاده از مدلهای انرژی خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا سیستم‌های فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه است. این در حالی است که در بسیاری قسمت های ایران، انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از این میانگین بین‌المللی می‌باشد و در برخی از نقاط حتی بالاتر از ۷ تا ۸ کیلووات ساعت بر مترمربع اندازه گیری شده است ولی بطور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود ۴.۵ کیلو وات ساعت بر مترمربع است[1].
1-2تاریخچهی سلولهای خورشیدی
اثر فوتوولتاییک اوّلین بار در سال 1839 توسط بکویهرل[1]، فیزیکدان فرانسوی، به صورت تجربی نشان داده شد[[ii]] . پس از آن چارلز فریتز[2] در سال 1883 توانست اوّلین سلول خورشیدی حالت جامد را بسازد. او نیمههادی سلنیم را با لایهی نازکی از طلا پوشانده بود تا بتواند یک پیوند شکل دهد و با این کار توانسته بود به بازده 1% دست یابد. در سال 1946 راسل اُهل[3] موفّق شد یک سلول خورشیدی با پیوند مدرن بسازد.
با این حال اوّلین سلول خورشیدی کاربردی[4] در سال 1954، در آزمایشگاه بل[5]، ساخته شد. چاپین[6]، فولر[7] و پیرسون[8] برای ساخت این سلول از یک پیوند p-n نفوذی سیلیکون[9] استفاده کرده توانستند به بازده 6% دست یابند[2].
سلولهای پیشرفتهی اوّلیه با بهره گرفتن از ویفر[10]های سیلیکن و ژرمانیوم به دست آمدند. پس از آن سلولهایی ساخته شدند که در آنها از لایه های نازک[11] سیلیکن یا دیگر نیمههادیها به جای ویفر استفاده میشد. هم اکنون علاوه بر این دو نوع سلول خورشیدی از سلولهای متعدّد دیگری چون سلولهای پلیمری، ارگانیک، رنگ دانهای( حسّاس شده با رنگ[12])، چند پیونده و … بهره گرفته می شود.
در این فصل انواع مهم سلولهای خورشیدی، که در سه نسل دستهبندی شده اند، به شکل مختصر مورد بررسی قرار میگیرند: نسل اوّل( شامل سلولهای کریستالی سیلیکون[13]) نسل دوم( شامل سلولهای گوناگونی که در آنها از لایه های نازک نیمههادی استفاده می شود) و نسل سوم( شامل سلولهایی که طرّاحی آنها به گونه ایست که میتوانند بازدهی فراتر از حدّ شاکلی- کوییزر دست یابند).
1-3- انواع سلولهای خورشیدی
-3-1- نسل اوّل سلول های خورشیدی (سلول های کریستالی سیلیکون)
در این دسته از سلولهای خورشیدی، از ویفرهای سیلیکون به عنوان نیمههادی فعّال استفاده می شود. سیلیکون با گاف انرژی ev1.12 مادّهای بسیار مناسب برای جذب طیف خورشید به حساب میآید. همچنین از نظر فراوانی در طبیعت دومین عنصر به شمار میرود. این بدان معناست که دست یابی به سیلیکون خام هزینه چندانی نخواهد داشت و نگرانیای هم برای اتمام منابع آن وجود ندارد.
برای دستیابی به هدایت بالا، افزایش طول عمر سلول و جلوگیری از افت بازده( بر اثر بازترکیب حاملها) سیلیکون را به صورت تک کریستال و با کیفیت بالا مورد استفاده قرار میدهند. گاهی نیز برای کاهش هزینهها از سیلیکون چند- کریستال بهره گرفته می شود.
1-3-1-1- فرایند رشد کریستالهای نیمههادی ها
شرایط رشد بلور( کریستال)های نیمههادی که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می شود بسیار دقیقتر و مشکلتر از شرایط سایر مواد است. علاوه بر این که نیمههادیها باید به صورت کریستالی در دسترس باشند، باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود. مثلا تراکم بیشتر ناخالصیهای مورد استفاده در بلورهای Si امروزی کمتر از 1 قسمت در ده میلیارد است. چنین درجاتی از خلوص مستلزم دقّت بسیار در استفاده و به کارگیری مواد در هر مرحله از فرایند ساخت است[[iii]].
نیمههادیهای تک عنصری Si و Ge از تجزیهی شیمیایی ترکیبهایی مانند GeO2، SiCl4 و SiHCl3 به دست میآیند. پس از جداسازی و انجام مراحل اوّلیهی خالصسازی، مادهی نیمههادی را ذوب کرده و به صورت شمش[14]هایی در میآورند. Si یا Ge به دست آمده بعد از مرحله بازپخت[15] به صورت چند بلوری است.
در صورت عدم کنترل فرایند سرمایش، نواحی بلوری دارای جهتهای کاملا تصادفی خواهند بود. برای رشد بلور فقط در یک جهت، لازم است که کنترل دقیقی در مرز بین مادّهی مذاب و جامد، در هنگام سرد کردن، انجام پذیرد[3].
یک روش متداول برای رشد تک-کریستالها، سرد کردن انتخابی مادهی مذاب است به گونه ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام پذیرد. برای مثال در نظر بگیرید یک ظرف از جنس سیلیکا حاوی Ge مذاب باشد؛ می توان طوری آن را از کوره بیرون آورد که انجماد از یم انتها شروع شده و به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه[16]ی بلوری کوچک در نقطهی شروع انجماد می توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. اگر سرعت سرد کردن به دقّت کنترل شود و مکان فصل مشترک جامد و مذاب به آهستگی در طول مذاب حرکت داده ش.ود، اتمهای ژرمانیوم همراه با سرد شدن بلور به صورت شبکه الماسی آرایش مییابند. شکل بلور به دست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می شود. Ge، GaAs و دیگر بلورهای نیمههادی معمولا با این روش، که روش بریجمن[17] افقی نامیده می شود، رشد داده میشوند. در شکل دیگری از این روش، ناحیهی کوچکی از مادهی بلوری ذوب شده و سپس ناحیهی مذاب طوری به طرف دیگر حرکت داده می شود که در پشت ناحیهی مذاب و در هنگام حرکت آن یک بلور تشکیل شود[3].
یکی از معایب رشد بلور در ظرف مذاب این است که مادهی مذاب با دیواره های ظرف تماس پیدا می کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنشهایی ایجاد می شود که بلور را از حالت ساختار شبکه ای کامل خارج میسازد. این نکته به ویژه در مورد Si که دارای نقطهی ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد ظرف ذوب را دارد، مشکلی جدی است. یک روش جایگزین، که این مشکل را برطرف می کند، شامل کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانهی بلوری در داخل مادهی مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را میدهد. معمولا در هنگام رشد، یلور به آهستگی چرخانده می شود تا علاوه بر همزدن ملایم مذاب، از هرگونه تغییرات دما( که منجر به انجماد غیر ممکن می شود) متوسط گیری کند. این روش، که روش چوکرالسکی نامیده می شود، به شکل گستردهای در رشد Si، Ge و برخی از نیمههادیهای مرکب استفاده می شود[3].
1-3-1-2- سلول های خورشیدی کریستالی سیلیکونی
این سلولها را میتوان بسته به ساختار بلوری سیلیکون به دو دسته تقسیم نمود : سلولهای خورشیدی سیلیکونی تک-کریستال و سلولهای خورشیدی سیلیکونی چندکریستال. در دستهی دوم از سیلیکون چند کریستال به عنوان نیمههادی فعّال استفاده می شود. در دستهی اول به منظور دستیابی به بازده بالاتر طیّ یک مرحله اضافه، سیلیکون چندکریستال به تک کریستال تبدیل می شود. این کار باعث افزایش هزینه ساخت خواهد شد. از سوی دیگر، از آن جا که نیمههادی باید ابتدا به صورت مربّعی درآمده و سپس مورد استفاده قرار گیرد، دور ریز مواد در این دسته بیش از سلولهای چند کریستال است ( سیلیکون چند کریستال را میتوان در قالبهای مربعی رشد داد).
1-3-2- نسل دوم سلول های خورشیدی (سلول های لایه نازک)
از آن جا که در سلولهای خورشیدی نسل اوّل هزینه ساخت بسیار بالاست، باید راهی برای کاهش هزینهها یافت. برای این کار باید دید چه چیزی موجب بالا رفتن هزینه بالای تولید در آن سلولها میگردید. با یادآوری مطالب پیشین مشخّص می شود که با کاهش مواد مورد استفاده و نیز کاهش کیفیت و خلوص ساختار بلوری میتوان هزینهها را، هر چند بازده هم کاهش یابد، کاهش داد.
در سلولهای خورشیدی لایهنازک در واقع هم مواد مورد استفاده کاهش یافته است و هم فرایند ساخت بسیار ارزانتر شده است. علاوه بر اینها نیمههادیهای لایهنازک انعطاف هم دارند و این امر می تواند کاربردهای جدیدتری نیز پیش روی آنها قرار دهد. در این سلولها برای کاهش بیشتر هزینه حتّی میتوان از نیمههادیهای بیشکل نیز استفاده نمود.
در این فصل انواع مهم سلولهای خورشیدی لایهنازک به صورت مختصر شرح داده شده اند. لازم به ذکر است که معیار قرار گرفتن این سلولها در نسل دوم فقط لایهنازک بودن نیمههادی در آنهاست؛ در حالی که برخی از این سلولها میتوانند در سلولهای نسل سوم نیز قرار بگیرند چرا که بازده آنها می تواند از حدّ شاکلی- کوئیزر نیز فراتر باشد.
فرم در حال بارگذاری ...
