سلول خورشیدی

سلول خورشیدی
پس از مطالعه آموزش سلول خورشیدی باید بتوانید به سوالات زیر پاسخ دهید:
  • سلول خورشیدی چیست ؟
  • سلول خورشیدی اولین بار چه زمانی استفاده شد ؟
  • سلول خورشیدی را چه کسی ساخت ؟
  • سلول خورشیدی از چه ماده ای ساخته شده است ؟
  • چرا از اتم سیلیکون در ساخت سلول خورشیدی استفاده می شود ؟
  • چه اتفاقی با تابش نور بر اتم سیلیکون اتفاق می افتد ؟
  • سلول خورشیدی چگونه ساخته می شود ؟
  • بهترین بازده سلول خورشیدی چیست ؟
  • اثر دما بر سلول خورشیدی چگونه است ؟

 

 

سلول خورشیدی چگونه کار می کند؟

2-2 : سلول خورشیدی

2-2-1 : تاریخچه سلول خورشیدی

اگر چه انسان چند هزار سال است که از انرژی گرمایشی خورشید استفاده می کند ولی استفاده از انرژی خورشید برای تولید برق قدمت زیادی ندارد.

در سال 1839 دانشمند فرانسوی ادموند بکرل در هنگام کار با پیل الکترولیز که با دو الکترود فلزی در محلول الکترولیت بود دریافت که وقتی در معرض نور خورشید قرار می گیرد میزان برق تولیدی بیشتر می شود و اینگونه بود که برای اولین بار اثر فتوولتائیک کشف شد. بعدها در سال 1873 دانشمندی دیگر به نام ویلوبی اسمیت قابلیت هدایت سلنیوم را کشف کرد. سه سال بعد دو دانشمند به نام های ریچارد ایوان و ویلیام گریلز فهمیدند که اگر سلنیوم را در مقابل نور خورشید قرار دهند برق تولید می کند. در سال 1883 دانشمندی بنام کارلس فریتز طرح ساخت سلول خورشیدی را ارائه کرد.

ولی زمانی که آلبرت انیشتین در سال 1905 اثر فتوولتائیک را همراه تئوری نسبیت مطرح کرد دانشمندان بیشتری بر روی این مساله کار کردند و در سال 1918 دانشمندی لهستانی بنام جان زوکراسکی موفق به رشد یک تک کریستال سیلیکون شد.

امّا سال 1954 را می توان سال تولّد سلول خورشیدی دانست. در این سال سه محقق آمریکایی آزمایشگاه بل توانستند اولین سلول خورشیدی جهان را تولید کنند همچنین آنها بازده سلول های خورشیدی را از 4% به 11% افزایش دادند.

2-2-2 : اتم

همه ی مواد از اتم ساخته شده اند. این اتم ها از قسمت هایی بنام پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده اند. پروتون ها (بار مثبت) و الکترون ها (بار منفی) یکدیگر را جذب می کنند. نوترون ها از نظر الکتریکی هیچ واکنش جاذبه یا دافعه ای از خود نشان نمی دهند یا بعبارت دیگر خنثی هستند. پروتون ها و نوترون ها در هسته ی اتم هستند و الکترون ها که خیلی سبکتر از پروتون ها هستند به دور هسته می چرخند. اگر چه اتم دارای بارهای مثبت و منفی است ولی از نظر الکتریکی خنثی است زیرا به میزان مساوی الکترون و پروتون دارد.

تعداد پروتون ها در تمام اتم ها یکسان نیست. به ازای هر پروتون در هسته اتم یک الکترون به دور آن می چرخد. مکان چرخش الکترون به دور هسته وابسته به انرژی الکترون است. الکترون ها بویژه الکترون های لایه آخر (لایه والانس) با الکترون های دیگر اتم ها تعامل می کنند تا بتوانند یک ساختار بزرگتری مانند مواد جامد بسازند.

2-2-3 : اتم سیلیکون

سیلیکون با نماد Si عنصری شیمیایی از خانواده ی شبه فلزها است که در گروه چهارم و دوره ی سوم جدول تناوبی جای دارد. این عنصر یکی از فراوان ترین عنصرهای روی کره زمین است، البته به سختی می توان آن را بصورت خالص و آزاد در طبیعت پیدا کرد. بیشترین فراوانی این عنصر درون ماسه می باشد.

ماده سیلیکون برای ساخته شدن سلول خورشیدی

شکل 2-10 : ماده سیلیکون خالص شده

اتم های سیلیکون 14 الکترون دارند که چهار الکترون لایه بیرونی خود که به آن لایه والانس نیز می گوییم را با اتم های مجاور شریک می شوند تا تعداد الکترون های لایه والانس برابر هشت شود.(شکل 2-11)

آرایش اتم سیلیکون برای ساختن سلول خورشیدی

شکل 2-11 : نحوه آرایش اتم های سیلیکون

وقتی که تعداد زیادی از اتم های سیلیکون در کنار هم قرار گیرند و آرایش چهار وجهی شکل دهند (شکل 2-11)، ماده جامد سیلیکون شکل می گیرید. همانگونه که از شکل مشخص است هر اتم سیلیکون باید با چهار اتم دیگر الکترون به اشتراک بگذارد. در ماده جامد سیلیکون هر اتم سیلیکون یک فاصله و زاویه مشخص نسبت به سایر اتم هایی که با آنها الکترون تبادل می کنند دارند. این شکل ثابت و منظم، که اتم های سیلیکون می سازند را شبکه کریستالی می گوییم.

ماده جامد سیلیکون می تواند از شبکه های کریستالی، در شکل ها و اندازه های متفاوت ساخته شود. شکل زیر(شکل 2-12) یک شبکه کریستالی از اتم ها سیلیکون را نشان می دهد. همانطور که از شکل مشخص است اتم های سیلیکون طوری منظم شده اند که انگار راس های یک مربع فرضی را تشکیل داده اند که یک تک اتم در مرکز آن قرار دارد.

شبکه اتم سیلیکون برای ساختن سلول خورشیدی

شکل 2-12: شبکه کریستالی از اتم های سیلیکون

2-2-4 : تاثیرات نور بر سیلیکون

بخش 1

زمانی که نور به کریستال سیلیکون برخورد می کند میتواند بازتاب، جذب یا از میان آن عبور کند. ما به بررسی فتون های جذب شده می پردازیم. معمولاً وقتی نور با انرژی نسبتاً پایین (نور قرمز و نورهای نزدیک به آن) جذب کریستال سیلیکون می شود باعث ایجاد گرما شده، بدون اینکه تغییرات الکتریکی در آن ایجاد کند. در توضیح این پدیده می توان گفت : زمانی که این نور کم انرژی با کریستال های سیلیکون برخورد می کند باعث لرزش و چرخیدن کریستال ها در باند یا محدوده خود می شود اما شکسته نمی شود. همینطور الکترون های درون اتم ها انرژی بیشتری دریافت کرده و به سطح انرژی بالاتری رسیده اند. از آنجا که این سطح انرژی پایدار نیست الکترون ها دوباره به سطح انرژی اولیه خود باز می گردند و انرژی دریافتی را بصورت گرما آزاد می کنند.

بخش 2

نورهایی با انرژی بالاتر می توانند باعث تغییر در خواص الکتریکی کریستال سیلیکون شوند. اگر فتون های نور پر انرژی به الکترون ها درون کریستال برخورد کند و انرژی الکترون ها به اندازه برسد که بتواند بر نیروی هسته غلبه کند، از هسته جدا شده و آزاد می شوند. این عمل باعث بوجود آمدن یک حفره (جای خالی الکترون در اتم) و یک الکترون آزاد در کریستال می شود. الکترون های آزاد شده در سطح کریستال حرکت می کنند و می توان گفت کریستال وارد باند هدایت می شود زیرا با وجود الکترون های آزاد، کریستال مانند یک هادی عمل می کند و می تواند جریان را از خود عبور دهد.(شکل 2-13) نقش حفره ها و الکترون های آزاد در رفتار الکتریکی سلول های خورشیدی بسیار مهم است.

الکترون و حفره در اتم سیلیکون در سلول خورشیدی

شکل 2-13 : نحوه ساخته شدن الکترون و حفره در سیلیکون

بخش 3

حفره ها نیز مانند الکترون ها می توانند آزادانه در کریستال حرکت کنند. نحوه حرکت آنها بدین صورت است: زمانی که اتمی الکترون از دست بدهد و یک حفره داشته باشد این اتم می تواند از اتم کناری الکترون بگیرد و اتم کناری حفره دار شود و به همین ترتیب اتم کناری از دیگر اتم ها. این حرکت مکرراً و سریع اتفاق می افتد. پس مشاهده می شود که حفره ها نیز در حال حرکت در کریستال هستند و از اتمی به اتم دیگر انتقال پیدا می کنند. هر چقدر که دمای ماده بالاتر باشد حرکت آنها بیشتر می شود (یعنی انرژی آنها بیشتر است).

بخش 4

تولید الکترون و حفره در کریستال سیلیکون یک اثر کلی است و باعث هادی شدن کریستال می شود و در عمل جریانی برای استفاده تولید نمی شود. اگر ساز و کار یا مکانیزم دیگری در کریستال (سلول خورشیدی) وجود نداشته باشد در عمل این الکترون ها و حفره هایی که توسط فتون های نور ایجاد شده اند پس از اینکه انرژی خود را از طریق گرما از دست دادند به اتم خود باز می گردند. پس برای بهره برداری کردن از این الکترون ها و حفره ها باید ساز و کاری تعبیه کنیم. بهترین ساز و کار برای بهره برداری از آنها ساخت یک مانع پتانسیلی یا میدان الکتریکی داخلی است. در ادامه به بررسی این مانع پتانسیلی (میدان الکتریکی) می پردازیم.

برای دانلود ادامه فایل آموزشی سلول خورشیدی کلیک کنید…

سرفصل های فایل آموزشی :
تاریخچه سلول خورشیدی – اتم – اتم سیلیکون – تاثیرات نور بر سیلیکون – عملکرد میدان الکتریکی داخلی – نحوه ساخت میدان الکتریکی داخلی – کریستال نوع n – کریستال نوع p – محل اتصال دو لایه – ساخته شدن میدان ثابت – وظیفه میدان الکتریکی داخلی – جریان الکتریکی سلول خورشیدی – بازده سلول خورشیدی – بازتاب نور – فتون های پر انرژی و کم انرژی – ترکیب شدن دوباره الکترون و پروتون – ترکیب شدن مستقیم – ترکیب شدن غیر مستقیم – مقاومت سلول خورشیدی – اثر خود سایه – اثر دما بر سلول خورشیدی – اثر دمای زیاد بر روی سلول خورشیدی – اثر دمای پایین بر روی سلول خورشیدی
دیدگاه شما