سلول های خورشیدی چگونه کار می کنند؟
در حال حاضر گزینه های متعددی جهت بهره برداری از انرژی های بازگشت پذیر و غیر آلاینده که به سوخت های سبز مشهور هستند وجود دارد. وجود توربین های بادی ، استفاده از نیروی جریان آب و انرژی خورشیدی هر یک به نوبه خود بخشی از تلاش بشر برای یافتن منبعی جایگزین برای سوخت های فسیلی است. در این میان اما انرژی خورشیدی بیشترین سهم را به خود اختصاص داده است زیرا این منبع انرژی در همه جای دنیا به نسبت سایر منابع مانند باد و رودخانه ها و سدها ، بیشتر در دسترس بوده و تقریبا نامحدود است.
میزان انرژی تولید شده توسط خورشید که در کره زمین دریافت می شود، به اندازه ای زیاد است که هزاران برابر بیشتر از میزان کل انرژی مصرف شده توسط انسان است و تنها مشکل موجود در این زمینه، چگونگی جمع اوری و ذخیره این انرژی است.
خورشید به عنوان ستاره منظومه شمسی و مرکز و منبع سیارات این منظومه؛ انرژی گرمکایشی و نور سیارات منظومه خود را تامین می کند. بر اساس محاسبات دانشمندان؛ خورشید در هر ثانیه هزار ژول انرژی به یک متر مربع از زمین منتقل می کند. میزان انرژی تولید شده توسط خورشید که در کره زمین دریافت می شود، به اندازه ای زیاد است که هزاران برابر بیشتر از میزان کل انرژی مصرف شده توسط انسان است و تنها مشکل موجود در این زمینه، چگونگی جمع اوری و ذخیره این انرژی است.
انرژی موجود در خورشید از طریق تبدیل هیدروزن به صورت فوتونی یا نوترینو انجام شده و این انرژی به شکل گرمایش شدید که در مرکز این ستاره حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد بوده و در سطح آن 6 هزار درجه است، با سرعتی زیاد و تنها هشت دقیقه بعد از جدا شدن از منبع خود، به کره زمین می رسد.
سلول های خورشیدی ، از مواد مختلفی ساخته می شوند که رایج ترین ان ها سلول های فتوولتائیک و سیلیکون هستند که می توانند انرژی دریافتی از خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این انرژی قابلیت ذخیره سازی در باتری های ویژه ای را دارد که البته مهمترین مشکل پیش روی گسترش استفاده از این انرژی ، دشواری های موجود در ذخیره سازی آن است.
سلول های خورشیدی که امروزه اصلی ترین وسیله جهت دریافت و ذخیره این انرژی محسوب می شوند، معمولا از موادی نیمه رسانا از جمله ترکیبات سیلیسیم ساخته می شوند. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل می‌دهد و بدین صورت، شکل کریستالی آن پدید می‌آید.
در باتری‌های خورشیدی به سیلیسیم مقداری جزئی ناخالصی اضافه می‌کنند. اگر اتم ناخالصی ۵ ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم ۴ ظرفیتی است) ، آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایهٔ آن بدون پیوند باقی می‌ماند (یک تک الکترون) . به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا می‌کند به آن سیلیسیم نوع منفی Negative می‌گویند.
درصورتی که اتم ناخالصی دارای ظرفیت ۳ باشد، آنگاه یک حفرهٔ اضافی ایجاد می‌شود. حفره را به گونه‌ای می‌توان گفت که جای خالی الکترون است، با بار مثبت (به اندازهٔ الکترون) و جرمی برابر با جرم الکترون؛ که این امر هم باعث مثبت شدن نسبی ماده می‌شود و به آن سیلیسیم نوع P) Positive) می‌گویند.
هر باتری خورشیدی از ۶ لایه تشکیل شده که هر لایه را ماده‌ای خاص تشکیل می‌دهد. البته باید توجه داشت که امروزه انواع مختلفی از سلول های خورشیدی وجود دارند که مهمترین آن ها عبارتند از:
- سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی که خود به دو گروه سیلیکون های تک کریستالی و چند کریستالی تقسیم می شوند.
- سلول های خورشیدی سیلیکون غیر کریستالی
- سلول های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی
- سلول های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی مانند سلول های خورشیدی کریستال مایع؛ سلول های حساس به رنگ و سلول های خورشیدی پلیمری
- سلول های خورشيدی لايه نازک GaAs
مساله ای که در طراحی سیستم های دریافت و ذخیره انرژی خورشیدی باید مد نظر طراحان قرار گیرد این است که نور مرئی تنها بخشی از طیف الکترومغناطیس است.تشعشع الکترومغناطیس تک رنگ نیست و از دامنه ای از طول موجهای مختلف تشکیل شده و در نتیجه سطوح انرژی متفاوتی دارد. از آنجایی که سلول های خورشیدی توسط فوتون‌هایی با دامنه انرژی‌های متفاوت مورد اصابت قرار می‌گیرد لذا برخی از آنها انرژی لازم برای شکست پیوند الکترون حفره را ندارند. آنها به سادگی از درون سلول می‌گذرند درست انگار که از یک شیشه شفاف عبور کرده‌اند در حالی که برخی دیگر از فوتون‌ها انرژی بسیار زیادی دارند تنها میزان مشخصی از انرژی که با الکترون ولت اندازه‌گیری شده می‌تواند بر الکترون‌های اتم‌های سیلیکون سلول خورشیدی ما اثر گذارد اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم داشته باشد پس انرژی اضافی هدر می‌رود مگر اینکه فوتون انرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشته و بتواند به طور همزمان دو الکترون را رها کند که این هم چندان زیاد نیست که معنی دار محسوب شود. به این صورت است که تقریباً ۷۰ درصد انرژی تابشی دریافتی توسط سلول ما در واقع تلف می‌شود و کارایی ندارد ویکی دیگر از دلایل اتلاف انرژی در سلول خورشیدی و عدم بازده حداکثری، بازترکیب است.
البته در سال های اخیر تلاش های زیادی برای ساخت نمونه های کامل تر سلول های خورشیدی انجام شده است. برای نمونه چندی پیش یک پژوهشگر دانشگاه ملی استرالیا (ANU) با استفاده از طرح یک ظرف باستانی در فرهنگ بودائی توانست نسل جدید از سلول های خورشیدی ابداع کند . دکتر نیراج لعل با بررسی فرم این کاسه آواز خوانی دریافت که این کاسه علاوه بر قابلیت انعکاس صدا، می تواند تابش های نوری را نیز جمع و متمرکز کند. وی از این ایده برای انجام پروژه تحقیقاتی دوره دکترای خود استفاده کرده و توانست نسل جدیدی از سلول های خورشیدی با قابلیت جذب بیشتر نور تولید کند. وی به این طریق توانست امواج خورشیدی بیشتری را در مقایسه با نسل های قدیمی تر باطری های خورشیدی به نیروی الکتریسیته تبدیل کند. پژوهشگر سازنده نسل جدید سلول های خورشیدی در این زمینه اعلام کرد : استانداردهای فعلی به کار رفته در پنل های خورشیدی چندان مناسب نیستند زیرا در این سلول ها بخش عمده ای از انرژی دریافت شده از خورشید جذب سطح سلول ها شده و تنها موجب داغ شدن آن ها می شود و در این میان تنها بخش اندکی از انرژی دریافت شده توسط این سلول ها به نیروی الکتریسیته تبدیل می شوند. این موضوع سبب شده که بازده این نوع از سلول های خورشیدی بسیار کم باشد.
وی نسل جدید سلول های خورشیدی تولید شده را “plasmonic resonance”نامگذاری کرده و می گوید در آزمایش های انجام شده مشخص شد که میزان بازدهی الکتریکی این نوع جدید از سلول های خورشیدی بیش از چهار برابر بیشتر از انواع مشابه سلول های مسطح قبلی است. سلول های قبلی خورشیدی بیشتر از جنس سیلیکون بودند ولی سلول های جدید را می توان از مواد مختلفی تهیه کرد که مسطح نبوده و بر روی یکدیگر قرار می گیرند. در این حالت هر کدام از این اجزا با ماده های مختلف توانائی جذب طیف های مختلف نوری را دارا هستند که مواد به کار رفته در سایر سلول ها قادر به جذب آن ها نیست. به این ترتیب میزان بهره برداری از انرژی دریافتی به شدت بالا خواهد رفت.
دکتر لعل و تیم پژوهشی وی در حاضر حاضر در جستجوی یافتن روش های جدیدی برای استفاده ترکیبی از سلول های خورشیدی مسطح در کنار این نوع جدید از سلول ها هستند که در این صورت با استفاده از مواد مختلف با جنس و ترکیب متنوع خواهند توانست میزان بهره برداری از انرژی خورشیدی را باز هم بالاتر برده و سلول های پر قدرت تری ایجاد کنند.
همزمان با این موضوع تلاش می شود تا انرژی به دست امده از این سلول ها ذخیره شده و در مواقع مناسب استفاده شود. یکی از جدیدترین ابداعات در این زمینه توسط پژوهشگران دانشگاه اوهایو ارائه شده است که در آن تیم پژوهشگران فوق موفق به ترکیب یک دستگاه شارژر و سلول های خورشیدی شدند. این ابداع نخستین نسل باتری های خورشیدی قابل شارژ به شمار می رود . پژوهشگران اعتقاد دارند این ابداع جدید می تواند در گسترش استفاده از نیروی خورشیدی در منازل مفید بوده و از سوی دیگر هزینه تمام شده انرژی حاصله از این باتری های نسل جدید ، به نسبت انواع قبلی ، بسیار ارزان تر تخمین زده می شود.
یی ینگ وو سرپرست این تیم تحقیقاتی در مورد ابتکار جدید به کار رفته توسط گروه پژوهشی تحت نظرش اعلام کرد : در این سیستم باتری قابل شارژ ، سلول های خورشیدی انرژی لازم را از نور خورشید جذب کرده و سپس در باتری های مخصوصی ذخیره می کنند. ما توانستیم برای نخستین بار دو عمل جداگانه مربوط به انرژی خورشیدی را در یک دستگاه راه اندازی کنیم و این موضوع هنگامی اهمیت بیشتری پیدا می کند که شاهد ارزان تر بودن این دستگاه جدید به نسبت اختراعات قبلی هستیم.
این تیم پژوهشی موفق شد موانع و مشکلات متعددی را که در راه اتصال همزمان باتری های خورشیدی و منابع ذخیره انرژی وجود دارد ، برطرف سازند . تا کنون تمامی تلاش ها برای دستیابی به این تکنولوژی با شکست روبه رو شده بود .
پژوهشگران دانشگاه اوهایو در ابتدا با طراحی یک شبکه توری مانند از سلول های خورشیدی ، یک میله از جنس دی اکسید تیتانیوم را به آن متصل کرده و سپس با استفاده از صفحات متخلل ساخته شده از کربن و لیتیوم ، انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل کردند.
پرفسور وو و شاگردانش در ادامه با ایجاد ساختاری مبتکرانه موفق شدند این انرژی الکتریکی را به باتری های قابل شارژ متصل کرده و علاوه بر آن توانستند با ابداع روشی جدید ، از هدر رفتن نیروی برق در حین جا به جائی جلوگیری کنند. پیش از این در بهترین حالت ممکن تنها 80 درصد انرژی خورشیدی به نیروی الکتریکی تبدیل می شد ولی در این روش جدید تقریبا هیچ بخشی از نیروی خورشیدی هدر نرفته و صد در صد انرژی دریافت شده قابل استفاده است.
گردآوری گزارش و ترجمه: احسان محمدحسینی
No tags for this post.
