فتوولتاییک در ابتدا برای کاربرد در فضا و تولید انرژی برای ماهواره‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت اما هم اکنون در بسیاری از موارد از جمله ماشین حساب‌ها، ساعت‌ها، پمپاژ آب، یخچال‌ها، روشنایی ساختمان‌ها و تامین انرژی الکتریکی واحدهای تجاری، ادرای و خدماتی به کار می‌رود.
اصل مقدماتی در این فناوری، اثر فتوالکتریک است که در آن نور باعث می‌شود سلول‌های خورشیدی به عنوان جزو اصلی الکترون‌ها از اتم جدا شوند. نیمه رساناها( مانند سیلیکون) سیستم های فتوولتاییک، از لایه‌های نازکی جنسی ساخته شده‌اند که خصایص الکترونیکی متفاوت دارند و فوتون‌های نور خورشیدی موجب فعال شدن حرکت الکترون و در نتیجه پیدایش میدان‌های الکتریکی قوی درون آنها می‌شود. این حرکت اختلاف پتانسیلی بین لایه بالایی و پایینی سلول به وجود می‌آورد که در صورت کامل شدن، جریان مستقیمی را ایجاد خواهد کرد.
اصولا سیستم های فتوولتاییک به دو دسته سیستم‌های مستقل از شبکه و متصل به شبکه تقسیم بندی می‌شوند. معمولا به دلیل آنکه انرژی خورشیدی در تمام طول مدت روز قادر به تامین انرزی الکتریکی مورد نیاز نیست، سیستم‌های ذخیره‌ای پشتیبان (مانند باتری‌ها) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در برخی موارد، سیستم فتوولتاییک به وسیله یک منبع انرژی ثانویه مانند ژنراتورهای بادی یا دیزلی در قالب سیستم‌های هیبریدی(مرکب) نیز تغذیه می‌شوند. در سیستم‌های متصل به شبکه، انرژی الکتریکی شبکه، منبع تغذیه ثانویه است.
سلول‌های خورشیدی که در حال حاضر به صورت صنعتی تولید می‌شوند از نظر فناوری به دو دسته کلی سیلیکون کریستالی (فناوری نسل اول) و فیلم نازک( فناوری نسل دوم) تقسیم بندی می‌شوند. نسل سوم سلول‌های فتوولتاییک که تاکنون بیشتر در سطح آزمایشگاهی تولید شده‌اند ومراکز پژوهشی در حال توسعه آنها هستند به سلول‌هایی گفته می‌شود که بازده نامی بالاتر از 32 درصد دارند و انواع نانو سازه‌های سیلیکونی را شامل می‌شوند.
اولین کاربرد اقتصادی سیستم‌های فتوولتاییک، سیستم‌های مستقل از شبکه‌اند که به ویژه در نقاطی که استفاده از شبکه برق میسر نیست، کاربرد فراوان دارند. هم اکنون استفاده از فناوری‌های پیشرفته تر تولید، کاربرد این سیستم‌ها را به سمت اقتصادی‌تر شدن پیش برده است.
انواع سلول‌های خورشیدی
سلول‌های خورشیدی که در حال حاضر به صورت صنعتی تولید می‌شوند از نظر فناوری به دو دسته کلی سیلیکون کریستالی (فناوری نسل اول) و فیلم نازک( فناوری نسل دوم) تقسیم بندی می‌شوند. نسل سوم سلول‌های فتوولتاییک که تاکنون بیشتر در سطح آزمایشگاهی تولید شده‌اند ومراکز پژوهشی در حال توسعه آنها هستند به سلول‌هایی گفته می‌شود که بازده نامی بالاتر از 32 درصد دارند و انواع نانو سازه‌های سیلیکونی را شامل می‌شوند.
سلول‌های کریستال سیلیکون: مهمترین ماده موجود در سلول‌های خورشیدی کریستالی، سیلیکون است که بعد از اکسیژن دومین عنصر متداول موجود در زمین است. این عنصر نه تنها به صورت خالص بلکه به صورت ترکیبات شیمیایی با اکسیژن در شکل کوارتز یا ماسه در طبیعت یافت می‌شود؛ برای استفاده از این ماده (به عنوان نیمه هادی در سلول‌ها)، اکسیژن موجود ابتدا از ترکیب اکسید سیلیکون جدا می‌شود؛ ماسه کوارتز با پودر کربن و زغال تا درجه حرارت 1800تا1900 درجه سانتی‌گراد در کوره حرارت داده می‌شود. سیلیکون تولید شده با این روش پس از خروج مونوکسید کربن 98 درصد خلوص دارد اما به منظور قابل کاربرد کردن این ترکیب در سلول‌های خورشیدی، ناخالصی موجود باید به حدود بسیار اندک یک بیلیون درصد کاهش یابد بنابراین پس از طی یک فرایند شیمیایی خالص سازی به عنوان عنصر اصلی در سلول خورشیدی مورد استفاده
سلول‌های سیلیکونی مونو کریستال: سیلیکون مونو کریستال به لحاظ تاریخی مرسوم ترین نوع مواد برای تهیه سلول‌های خورشیدی است و بیشترین آزمایش‌ها برای استفاده در صنایع الکترونیک بر آن انجام شده است. در این روش، سلول‌های خورشیدی از طریق ورقه کردن تک کریستال رشد داده شده سیلیکون تهیه می‌شود و آن را می‌توان به صفحه‌های نازکی به ضخامت 200 میکرون برش زد.
سلول‌های پلی کریستال سیلیکون: در ساخت این دسته از سلول‌ها، ورقه‌های سیلیکون از طریق ریخته‌گری یا با تشکیل نوارهای نازک مستقیما از ذوب سیلیکون تولید می‌شود. این فرایند روشی آسان‌تر از روش تولید سلول‌های مونو کریستال و در نتیجه ارزان‌تر است.
سلول‌های سیلیکونی نواری: در روش‌های متداول تولید سلول‌های سیلیکونی، در حدود 40 درصد سیلیکون خام به صورت پودر براده در حین تولید( برش) از بین می رود، برای کاهش اتلاف این مواد ارزشمند، فرایند خاصی درتولید سلول به کار می‌رود که در آن فیلم سلولی از داخل مذاب سیلیکون به صورت مستقیم بیرون کشیده می‌شود. این روش با هدف تولید سلول‌هایی با ضخامت کمتر و اقتصادی کردن از نظر انرژی و مواد مورد استفاده، کاربرد دارد.
سلول‌های خورشیدی با فناوری فیلم نازک: از سال 1990، توسعه فرایند لایه نازک برای تولید سلول‌های خورشیدی مد نظر قرار گرفت. در این فناوری، نیمه هادی‌ها حساس به نور طی یک فرایند شیمیایی به صورت لایه نازکی بر یک ماده اولیه کم هزینه( در اکثر موارد شیشه) قرار می‌گیرند. سلول‌های سیلیکونی آمورف( در این دسته، اتم‌ها نسبت به سیلیکون کریستالی، بیشتر به صورت تصادفی قرار گرفته‌اند و یک ساختار کریستالی معمولی را ندارند)،GIS (پر بازده‌ترین سلول در دسته فناوری لایه نازک)، CdTe از جمله سلول‌های خورشیدی تولید شده این روش هستند؛ استفاده از مواد ارزان قیمت و مصرف انرژی پایین در تولید این سلول‌ها، ظرفیت ذخیره سازی بالایی در هزینه آنها در مقایسه با فناوری ساخت سلول‌های کریستالی دارد.
سلول‌های فیلم نازک بر پایه کریستال سیلیکونی انواع قابل جایگزین برای سلول‌های موجود در آینده‌اند. آنها علاوه بر مزایای در دسترس بودن مواد اولیهای مانند سیلیکون، از مزیت فرایند تولید فناوری لایه نازک یعنی هزینه تولید انبوه پایین و حداقل اتلاف مواد اولیه نیز برخوردار هستند.
سلول‌های نانو کریستال رنگی حساس به نور: این سلول‌ها نوع جدیدی از سلول‌های خورشیدی‌اند که در سال 1991 به نام سازنده آنgratzel نام گرفت. در این سلول‌ها، از نیمه هادی تیتانیوم دی اکسید به عنوان ماده اصلی استفاده و به وسیله لایه نازکی از رنگی خاص پوشانده می‌شود. این رنگ آلی، ترکیبی شیمیایی مشابه کلروفیل در برگ دارد و نور خورشید پس از برخورد با آن موجب فعال شدن رنگ، ایجاد فرایندی شیمیایی و در نهایت منجر به حرکت الکترون‌ها و تولید جریان الکتریکی می‌شود. ساختار این سلول‌ها کاملا متفاوت با انواع کریستالی است و هرچند ماده اصلی یعنی تیتانیوم دی اکسید ماده‌ای غیر سمی و ارزان است با این حال تولید انبوه این سلول‌ها مشکلاتی دارد. هم اکنون راندمان سلول‌های آزمایشگاهی تولید شده 12 درصد است. این سلول‌ها حتی در برابر نور و اشعه بسیار کم خورشیدی نیز حساس‌اند و برخلاف سلول‌های کریستالی، راندمان آنها با افزایش دما افزایش می‌یابد.
سلول‌های فیلم نازک بر پایه کریستال سیلیکونی: این سلول‌ها انواع قابل جایگزین برای سلول‌های موجود در آینده‌اند. آنها علاوه بر مزایای در دسترس بودن مواد اولیهای مانند سیلیکون، از مزیت فرایند تولید فناوری لایه نازک یعنی هزینه تولید انبوه پایین و حداقل اتلاف مواد اولیه نیز برخوردار هستند. سلول‌های میکرو کریستالین و میکروآمورف( ترکیبی از میکرو کریستال و آمورف) و کریستال سیلیکون بر پایه شیشه(CSG4) در این دسته قرار می‌گیرند.
سلول‌های هیبرید: این سلول‌ها ترکیبی از سیلیکون‌های آمورف و کریستالی‌اند که از طریق اتصال‌های اضافی به صورت لایه‌ای نازک به یکدیگر متصل شده‌اند. در این سلول‌ها، در دماهای بالاتر افت راندمان پایین‌تری مشاهده می‌شود و طول موج‌های بیشتری نیز توسط سلول قابل دریافت است. افت راندمان به ازای هر یک درجه سلسیوس افزایش دما، تنها33 صدم درصد در مقایسه به 45 صدم درصد در سلول‌های کریستالی است.
سلول‌های متمرکز کننده نور: این سلول‌ها ترکیباتی از عناصر شیمیایی موجود در ردیف‌های 3و4 جدول تناوبی‌اند که راندمان بسیار بالایی دارند. در این سلول‌ها، چندین سلول خورشیدی متشکل از مواد مختلف که برای جذب نور در طول موج‌های متفاوت طراحی شده‌اند به یکدیگر متصل می‌شوند اما از آنجا که این سلول‌ها بسیار گران قیمت هستند در بسیاری موارد از لنزهای ارزان قیمت با راندمان بیش از 30 درصد برای جذب اشعه خورشید از یک بخش وسیع و متمرکز ساختن آن بر سلول‌های کوچک که اغلب چند میلی متر مربع هستند استفاده می‌شود. در صورت تولید سلول‌های خورشیدی که متشکل از چهار یا پنج لایه هستند این بازده می‌تواند تا 50 درصد در آینده افزایش یابد. در پانل‌های خورشیدی از لنزهای فرنل برای این منظور استفاده می‌شود. این پانل‌ها با راندمان27درصد به منظور دریافت حداکثر نور خورشید، مجهز به ردیاب هستند.
سلول‌های خورشیدی شفاف: فرایند تولید این سلول‌ها به نحوی انجام می‌گیرد که شیارهای ایجاد شده به صورت متقاطع و 90 درجه قرار گرفته و سوراخ‌های میکروسکوپی تولید می‌شود که قابلیت عبور نور دارد. این ساختار موجب بروز حالت شفافیت برای سلول می‌شود که برحسب اندازه سوراخ‌ها میزان شفافیت تا 30 درصد نیز می‌رسد. در فناوری جدید تولید این سلول‌ها، سوراخ‌هایی هموار توسط لیزر بر ویفرهای پلی کریستال یا مونو کریستال ایجاد می‌شود و این حالت شفافیت بروز می‌کند.
دکتر داوود فدایی/ استاد دانشگاه صنعتی امیر کبیر، رییس انجمن صنایع خورشیدی ایران و رییس مرکز تحقیقات خورشید پژوه
No tags for this post.