مقدمه:
مواد گوناگونی تاکنون در ساخت سلولهای خورشیدی استفاده شده اند که بازده و هزینه های ساخت متفاوتی دارند. در واقع این سلول ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند طول موج های نور خورشید را که به سطح زمین میرسد با بازده بالا به انرژی مفید تبدیل کنند.
در منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم بندیها در زمینه سلولهای خورشیدی انجام میشود. بر حسب موادی که برای ساخت سلولهای خورشیدی استفاده می شوند سلول های خورشیدی در چهار نسل قرار می گیرند که در ذیل به آنها اشاره شده است:
- ویفرهای سیلیکون تک بلوری
- سیلیکون بیشکل، سیلیکون چندبلوری، کادمیوم تلوراید، آلیاژ مس ایندیوم گالیم دی سلناید
- سلولهای نانوبلور، سلولهای فوتوالکترو شیمیایی، سلولهای پلیمری، سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
- بلورهای معدنی هیبرید شده داخل ماتریکس پلیمری
همچنین سلولهای خورشیدی را از نظر فناوری ساخت میتوان به سه دسته تقسیم کرد، که سلولهای خورشیدی آلی یکی از این موارد است که جزو نسل سوم سلولهای خورشیدی هستند:
۱- سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
سلولهای خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان دیگر خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیتهایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند.
به صورت کلی این نوع از سلولهای خورشیدی مزیتهای متعددی از قبیل فراوری آسان، انعطاف پذیری، سبک وزنی و هزینه ساخت کم را دارا هستند. انواعی از سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل سلولهای خورشیدی حساس به رنگ، سلولهای خورشیدی پلیمری و سلولهای خورشیدی مبتنی بر کریستالهای مایع (Liquid Crystals) هستند.
۱-۱ سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ (Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)
امروزه، بیشترین سلولهای خورشیدی تجاری از سیلیکون (بیش از ۸۶ درصد) ساخته شده اند، در حالیکه استفاده از سیلیکون در دستگاه فوتوولتائیک ممکن است به دلیل قیمت بالای تولید محدود شود.
به طور کلی، از ویژگیهای سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ در مقایسه با سلولهای خورشیدی معدنی میتوان به هزینه ی پایین تولید، تنوع رنگ و شکل، انعطاف پذیری و سبک وزنی اشاره کرد. این در حالی است که سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ نسبت به سلولهای خورشیدی معدنی بازده پایینتری نشان میدهند که لازم است به طور قابل توجهی بهبود داده شود. سلول خورشیدی حساس شده با رنگ از دسته سلولهای لایه نازک به شمار میآید و تنها نمونه ای از فناوری نسل سوم سلولهای خورشیدی است که تاکنون به مرحله ی تجاری سازی رسیده است .
ساختار پایه یک DSSC وارد کردن بهینه یک نیمه هادی نوع n شفاف (با شکاف انرژی پهن) در یک شبکه ای از ستونها در ابعاد نانو در تماس با نانو ذره ها یا برآمدگیهای مرجانی شکل است .
سطح شبکه بزرگ طراحی میشود و هر قسمت آن با یک تک لایه ای از یک رنگ یا پوششی از نقاط کوانتومی، که به عنوان رنگ عمل میکنند، پوشانده میشود. سپس یک الکترولیت برای نفوذ ساختار شبکه پوشش داده شده حاصل، مورد استفاده قرار میگیرد تا یک کانال یا مجرایی بین رنگ و آند ایجاد کند.
رنگ نور را جذب میکند و تولید اکسیتون (الکترون حفره) میکند، که در سطح مشترک رنگ نیمه هادی تفکیک میشود و منجر به ایجاد الکترونها توسط فوتون برای نیمه هادی و مولکولهای رنگ اکسید شده به وسیله الکترولیت (که باید کاهش یابند و دوباره تولید شوند) میشود.
اجزای تشکیل دهنده ی سلول خورشیدی حساس شده با رنگ شامل بخشهای مهمی همچون شیشه ی پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف، نانوذرات تیتانیوم دی اکسید (Titanium dioxide, TiO2) ، رنگهای حساس به نور، الکترولیت اکسایش کاهش، الکترود شمارشگر(کاتد) و مواد ضد نشت است.
به طور کلی با نگاه اجمالی در ساختار سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ، باید این سلولها را مشابه با یک باتری قلیایی تجاری دانست که در آن یک آند و یک کاتد در دو طرف الکترولیت مایع قرار میگیرند. به این ترتیب که نور خورشید از طریق الکترود شفاف وارد لایه ی رنگ شده و الکترونهای آن را برانگیخته میکند.
سپس این الکترونها به نانوذرات تیتانیوم دی اکسید نیمه رسانا منتقل خواهد شد. با جذب الکترونها در این نوار ممنوعه، میدان الکتریکی و سپس جریان ایجاد میشود. این جریان وارد مدار شده و به کاتد انتقال مییابد.
کاتد همچنین نقش یک کاتالیزور را دارد و الکترونها را وارد محلول الکترولیت (یدید/ تری یدید) میکند تا از طریق واکنش شیمیایی در الکترولیت، الکترونها دوباره وارد مولکول رنگ شوند.
۲-۱ سلول های خورشیدی پلیمری
از ویژگیهای بارز سلولهای خورشیدی پلیمری میتوان به مواردی مانند: هزینه کم، وزن سبک و ساخت راحت اشاره نمود. اما آنچه بر اهمیت آنها میافزاید، قابلیت حل شدن مواد مورد استفاده در حلالهای آلی است که تهیه سلولهای خورشیدی انعطاف پذیری را امکانپذیر میسازد .
سلولهای خورشیدی پلیمری دارای ویژگیهای خاصی هستند. چون مواد اکتیو استفاده شده برای ساخت قطعات قابل حل شدن در حلالهای آلی بسیاری هستند، بنابراین سلولهای خورشیدی پلیمری دارای پتانسیل لازم برای انعطاف پذیری و قابلیت ساخت در یک فرآیند چاپ پیوسته همانند چاپ روزنامه را دارند.
اخیرا بازده تبدیل توان حدود ۶ درصد گزارش شده است ولی این مقدار با مقادیر لازم برای کاربردهای معمول فاصله دارد.
۳-۱ سلولهای خورشیدی مبتنی بر کریستالهای مایع
در نمونه ای از سلولهای خورشیدی از این نوع، از کریستالهای مایع ستونی برای ساخت سلول استفاده میشود.
گروهی از کریستالهای مایع میتوانند به حالت ستونی وجود داشته باشند. حالت ستونی حالتی است که مولکولهای تشکیل دهنده کریستالهای مایع که میتوان آنها را به دیسکی تشبیه کرد روی هم قرار گرفته و ستونهایی را تشکیل میدهند. در ابتدا این گروه از کریستالهای مایع، کریستالهای مایع دیسکی نامیده می شدند. زیرا هر ستون از روی هم چیده شدن صفحات دیسک مانند مولکولها روی هم درست میشود.
تحقیقات اخیر نشان داده است که بعضی از کریستالهای مایع ستونی از واحدهای غیردیسکی ساخته میشوند، در نتیجه بهتر است به این گروه از مواد کریستالهای مایع ستونی گفته شود.
۲- سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کریستالی
رایجترین ماده توده برای سلول خورشیدی، سیلیکون کریستالی (c-Si) است. ماده توده سیلیکون با توجه به نوع کریستال و اندازه کریستال به چندین بخش تقسیم میشود:
- سیلیکون تک کریستالی (c-Si)
- سیلیکون پلی کریستالی (poly-Si) یا چند کریستالی (mc-Si)
۳- سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون لایه نازک غیر کریستالی (آمورف)
هزینه پایین یکی از مزایای سلولهای خورشیدی برپایه سیلیکون آمورف (a-Si) است.
دو جزء اصلی آلیاژ a-Si ، سیلیکون و هیدروژن است.علاوه براین، مشخصه یک آلیاژ a-Si داشتن ضریب جذب بالاست. تنها یک لایه نازک برای جذب نور نیاز است و این باعث کاهش هزینه مواد میشود.
۴- سلولهای خورشیدی لایه نازک GaAs
اولین لازمه موادی که باید در یک قطعه مبدل انرژی فتوولتائیک خورشیدی به کار برود، تطبیق گاف انرژی با طیف خورشیدی و نیز داشتن قابلیت تحرک بالا و طول عمر حاملهای زیاد هستند. این شرایط توسط سیلیسیم برآورده میشوند. مواد گروه III – V علیرغم هزینه های بالای استحصال و ساخت این نیمه هادیها، با موفقیت زیاد در کاربردهای فضایی که در آنها هزینه، فاکتور مهمی نیست مورد استفاده قرار گرفته اند.
در سال ۱۹۶۱ ، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای ۳۰۰ کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع فناوری بکار رفته در آن، ۳۰ درصد است که برای سلولی با گاف انرژی ماده برابر eV1.39 بدست میآید. با توجه به اینکه انرژی شکاف گالیم آرسناید برابر eV 1.424 است میتواند ماده مناسبی برای طراحی سلولهای خورشیدی باشد. سلولهای خورشیدی ساخته شده بر پایه لایه نازک GaAs به عنوان نسل دوم سلولهای خورشیدی نامگذاری میشوند .
۵- سلولهای خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی
یک فاکتور محدود کننده برای بازده تبدیل انرژی در سلولهای خورشیدی با یک شکاف انرژی این است که انرژی فوتون جذب شده بالای شکاف انرژی نیمه هادی در اثر اندرکنش الکترون – فوتون به صورت گرما تلف میشود تا حاملها به لبه شکاف باند انرژی رسیده و به اصطلاح به آرامش برسند.
در سالهای اخیر روشهایی برای کاهش این تلفات با استفاده از ساختارهای کوانتومی از جمله چاههای کوانتومی و نقاط کوانتومی ارائه شده است. در این ساختارها هنگامی که حاملها در نیمه هادی به وسیله سدهای پتانسیل به نواحی خاصی که کوچکتر یا قابل مقایسه با شعاع بوهر اکسیتونها در نیمه هادی توده است محدود میشوند، دینامیک آرامش کاملا متفاوت خواهد بود.
۶– برخی ازآنالیزهای مربوط به سلولهای خورشیدی
۶-۱ آنالیز جریان ولتاژ سلول خورشیدی (Solar Cell J-V Analysis)
تست V-I اولین و پایه ای ترین آنالیز سلول خورشیدی است. در این آنالیز بازده سلول و همچنین ولتاژ مدار باز، جریان مدار کوتاه و فاکتور پر کنندگی سلول تعیین میشود. علاوه براین، از شکل منحنی جریان-ولتاژ اطلاعاتی نیز در مورد مقاومتهای سری و موازی سلول بدست میآید.
به طور کلی در این تست با تابش نور سفید و بستن یک ولت متر و یک آمپر سنج به کمک یک رئوستا مقاومت افزایش مییابد و در نتیجه با افزایش مقاومت تا بینهایت شدت جریان به صفر میرسد و در این زمان میشود رابطه ی بین ولتاژ و آمپر را مقایسه کرد و توان ماکزیموم را حساب نمود و طبق فرمولی با داشتن مساحت سلول و همچنین شدت نور سفید تابانده شده به راندمان سلول دست یافت.
۶-۲ اندازه گیری بازده طیفی سلول خورشیدی
(Incident Photon to Current Conversion Efficiency)
اندازه گیری بازده طیفی سلول خورشیدی یا بازده کوانتومی خارجی سلول با تاباندن نور با طول موج مشخص به سلول و اندازه گیری جریان سلول انجام میشود. با مقایسه جریان سلول با جریان یک فوتودیود کالیبره شده در هر طول موج میتوان بازده طیفی را اندازه گرفت.
۶-۳ اندازه گیری سطح فرمی و بار تجمع یافته
(Fermi level and accumulated charge)
این آنالیز عمدتا برای سلول های خورشیدی رنگدانه ای انجام می شود. با استفاده از این آنالیز چند پارامتر مهم سلول خورشیدی رنگدانهای به شرح زیر قابل اندازه گیری است:
- اندازه گیری تراز فرمی در حالت مدار باز در شدتهای مختلف نور
- اندازه گیری جریان اتصال کوتاه در شدتهای مختلف نور
- اندازه گیری تراز فرمی الکترود در حالت اتصال کوتاه
- اندازه گیری عمق و چگالی ترازهای انرژی در الکترودهای نانوساختاری در حالت مدار باز
- اندازه گیری چگالی بار تجمع یافته در حالت اتصال کوتاه
۶-۴ طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی
(Electrochemical Impedance Spectroscopy)
طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی یکی از مهمترین روشهای مشخصهیابی سیستمهای الکتروشیمیایی و ازجمله ی آن سلولهای خورشیدی فوتوالکتروشیمیایی رنگدانهای است. امپدانس به صورت نسبت ولتاژ به جریان سیگنال تعریف می شود.
منابع:
مقالات سایت آموزش ستاد نانو
کتاب سلولهای خورشیدی نانو ساختار، نوشته دکتر صلواتی نیاسری، محمدثابت
جزوه آموزشی کلاس سلولهای خورشیدی دکتر تقوی نیا
سایت www.iust.ac.ir
شرکت مهندسی تکسا، طراح و تولید کننده انواع استراکچرهای خورشیدی و سازه های فلزی
برای مشاهده قیمت و نحوه ی فروش استراکچرهای خورشیدی تکسا با ما تماس بگیرید.
