سلول‌ها ي خورشيدي

سلول‌ها ي خورشيدي وسائلي هستند كه انرژي خورشيدي را مستقيماً به الكتريسته تبديل مي كنند، يا مستقيماً از طريق اثر فتوولتايي و يا به طور غيرمستقيم انرژي خورشيدي به گرما يا انرژي شيميايي تبديل مي كنند.

متداول‌ترين شكل خورشيدي سلول‌ها مبتني بر اثر فتو ولتايي هستند كه شامل دو لايه نيم رسانا مي باشد يك اختلاف پتانسيل بين لايه‌ها توليد مي شود. اين ولتاژ توليد يك شدت جريان در يك مدار بيروني توليد مي كند و بدين وسيله كار مفيد ايجاد مي شود.

تاريخچه سلولهاي خورشيدي

سلول‌هاي خورشيدي ميانه دهة‌ 1950 در دسترس بوده‌اند ولي، زماني كه دانشمند فرانسوي ، (بكرل) كشف كرد كه با تاباندن نور به برخي محلولهاي شيميايي ويژه يك جريان الكتريكي توليد مي شود. تحقيق علمي اثر فتوولتايي سال 1839 شروع شد،

در 1877 اين تاثير ابتدا در يك جامد فلزي مشاهده‌شد (در فلز سلنيوم). اين فلز سالهاي بسياري براي سنجش نور به كار رفته بود و فقط به مقادير خيلي كم توان داشت. يك درك عميق‌تر علمي، در سال 1905 توسط انيشتين و در سال1930 به وسيله اسكاتكي فراهم شد و لازم بود سلول‌هاي خورشيدي كارآمد ساخته‌شود. در سال 1954 يك سلول خورشيدي سيليسيمي كه 6% از انرژي خورشيد را به الكتريسيته تبديل مي كرد به وسيله پيرسون و فولر ساخته شد، اين نوع باطري از 1958در شاتل هاي فضايي به كار رفت.

امروز سلول‌هاي خورشيدي سيليسيمي به طور تجارتي در حدود 18% از نور خورشيد را به الكتريسته تبديل مي كنند، اكنون انواع روشها براي توليد عملي سلول‌هاي خورشيدي سيليسيمي (بي شكل، تك‌بلوري و چندبلوري) همانند سلول‌هاي خورشيدي ساخته‌شده از مواد ديگر(دي سلنيد مس و اينديوم، تلوريدكادميوم و غيره) تحت بررسي است.



علل احتياج به سلول خورشيدي

توسعه ‌سلولهاي خورشيدي براي مقاصد زير است:

1- احتياج داشتن به منابع الكتريسته مناسب براي مكان‌هاي دور از شبكة‌ برق اصلي

2- پمپ كردن آب

3- فانوس برج‌ها

4- ماشين‌حساب‌ها و دوربين‌هاي عكاسي

5- احتياج داشتن به توان تجديدشدني و قابل حمل

انواع سلول خورشيدي ساخته‌شده

سه نوع سلول بلوري وجود دارد: سيليسيم تك بلوري چندبلوري و بي‌شكل.

سلولهاي تك‌بلوري : ( به ضخامت تقريبي 2/1 تا 3/1 ميلي متر) از يك قطعه تك‌بلوري بزرگ

در دماي حدود 1400 درجه سانتيگراد تشكيل شده است و اين مرحله بسيار پرهزينه است.

سيليسيم بايد خالص بوده و يك ساختار بلوري كامل داشته باشد (تصوير شمارة‌ 1 را ببيند)

اين فرآيند توليد با سطح بازده بالا را ضمانت مي‌كند.





سلول‌هاي چندبلوري: لايه هاي چندبلوري به وسيله فرآيند ريخته‌گري تهيه مي شوند

سيليسيم مذاب را در يك قالب مي ريزندو اجازه مي دهند متبلور شوند. لايه هاي چند بلوري

كه به وسيله ريخته‌گري درست شده‌اند عمدتاً ارزان‌تر هستند و بازده پايين‌تر دارند

( به خاطر نقص در ساختار بلور حاصل از فرآيند ريخته‌گري)


سيليسيم بي شكل: اگر يك لايه سيليسيم روي شيشه يا يك ماده ديگر قرار گيرد معروف به

سلول لايه بي شكل يا نازك است. ضخامت اين لايه كمتر از يك ميكرومتر است(ضخامت يك

موي انسان: 50 تا 100 ميكرومتر ) بنابراين توليد اين سلولها و هزينه آن پايين‌تر است.

به هر حال، بازده سلول‌هاي بي شكل خيلي پايين‌تر از دو سلول ديگراست. به اين علت است كه

، اساساً آنها در وسائل با توان كم به كاررفته‌اند(مانند ماشين‌حساب‌)



لايه‌هاي نازك ديگر:

تعدادي از مواد اميدبخش ديگر از قبيل كادميم تلوريد  و مس اينديم دي سلنيد  نيز به عنوان مواد پايه در تهيه سلول هاي خورشيدي به كار مي رود جاذبه اين تكنولوژي‌ ها اين است كه آنها به وسيله روشهاي صنعتي ارزان مي‌توانند ساخته‌شوند ، مطمئناً در مقايسه با سيليسيم بلوري، آنها رابه جاي سيليسيم بي‌ريخت پيشنهاد مي‌كند.

ساخت سلول خورشيد در ايران

شركت توليد فيبرنوري و برق خورشيدي(متعلق به شركت مخابرات ايران)
در اواخر سال 1367 و بعد از راه اندازی کارخانه توليد کابل نوری يزد طرح توجيهی فنی و اقتصادی توليد فيبر نوری در داخل کشوربه مسئولين امر در وزارت پست و تلگراف و تلفن ارائه شد . اين طرح در سال 1368 به تصويب رسيد و مقرر شد شرکتی به اين منظور تشکيل و اجرای طرح مذکور به عنوان هدف اصلی آن تعيين شود .

شرکت توليد فيبر نوری در سال1368 به ثبت رسيد . در همين سال با کسب اطلاع از علاقه مندی شرکت مخابرات ايران برای استفاده از سيستمهای برق خورشيدی ( فتوولتائيک ) ، امکان ساخت سلول و مدول خورشيدی در کشور مورد مطالعه قرار گرفت و با تهيه طرح توجيهی فنی و اقتصادی آن در سال 1369 مورد تاييد مسئولين وقت وزارت پست و تلگراف و تافن واقع شده و مسئوليت اجرای آن به عهده شرکت توليد فيبر نوری و برق خورشيدی تغيير يافت .

شرکت توليد فيبر نوری و برق خورشيدی در ارديبهشت ماه سال 1373 باحضور رياست محترم جمهوری افتتاح و بهره برداری از کارخانجات توليد فيبر نوری و توليد سلول و مدول خورشيدی ميسر گرديد .

سرمايه‌گذاري :

ميزان سرمايه‌گذاري اين شركت براي كارخانجات توليد فيبرنوري و سلول و مدول خورشيدي 9940 ميليون ريال است كه معادل 20 ميليون دلار هزينه ارزي نيز در مبلغ سرمايه منظور شده است.

ظرفيت توليد :

ماشين‌آلات توليد فيبرنوري در بخش ساخت پيش سازه براي ظرفيت اسمي 50 هزار كيلومتر فيبرنوري استاندارد در سه شيفت كاري طراحي شده‌اند و عملاً مي‌توانند پيش سازه لازم براي ساخت 30 هزار كيلومتر فيبرنوري استاندارد را توليد كنند.

ظرفيت اسمي توليد سلول خورشيدي ، ساخت 2 ميليون و چهارصد هزار عدد سلول خورشيدي در سه شيفت كاري است و با احتساب بازده متوسط براي سلولها كه 5/12 درصد است . معادل 3 مگاوات پيك برق خورشيدي است.

ظرفيت توليد اسمي مدول خورشيدي در سه شيفت كاري 600 و66 دستگاه است كه معادل 3 مگاوات برق خورشيدي است

افزايش بازده سلولهاي خورشيدي در ايران

پژوهشكده سبز يكي از مراكز علمي وابسته به دانشگاه علم و صنعت ايران است. گروه انرژي‌هاي تجديدپذير يكي از سه گروه فعال اين پژوهشكده مي‌باشد (دو گروه ديگر، گروه‌هاي انرژي و محيط زيست هستند). در اين گروه بحث پيدا كردن جايگزين براي سوخت‌هاي فسيلي مطرح مي‌باشد كه هدف از آن پيدا كردن جايگزين مناسب براي انرژي‌هاي فسيلي است.

يكي از فعاليت‌هاي اين گروه، افزايش راندمان سلولهاي خورشيدي مي‌باشد. اين كار با كمك ردياب‌هاي الكترونيكي (Electronical trackers) انجام مي‌گيرد. شركت فيبر نوري و برق خورشيدي واردكننده و توليد كننده سلولهاي خورشيدي در ايران است. راندمان اين سلولها در حدود 10 درصد مي‌باشد. پژوهشكده با اضافه نمودن سيستم ردياب الكترونيكي موفق شده است كه راندمان اين سلولها را تا حداکثر 18 درصد افزايش دهد. رسيدن به راندمان 20 و 22 درصد در مراحل بعدي مد نظر متخصصين پژوهكشده مي‌باشد

هزينه توليد هر کيلووات برق از انرژي خورشيدي در کشور

توليد هر کيلووات برق از انرژي خورشيدي در کشور ۵۰۰ تا ۱۹۰۰ ريال، برآورد شد. درحال حاضر تنها يک ژنراتور خورشيدي با ظرفيت ۲۵۰ کيلووات در شيراز وجود دارد.
همچنين استان هاي تهران و فارس داراي نيروگاه هاي فتوولتائيک با ظرفيت ۲ مگاوات هستند و ۲ کارخانه، درحال ساخت با همين منظور در طالقان و شيراز وجود دارند.
بر پايه گزارشات "پروژه بازنگري زيست محيطي انرژي در ايران" ساير روش هاي توليد انرژي در کشور کمتر از ۲۰۰ ريال براي هر کيلووات هزينه دربر دارد. اما به رغم پتانسيل بالايي که هزينه توليد انرژي از اين راه دارد بازهم توليد انرژي از خورشيدي براي مناطق دور از دسترس که از جمعيت اندکي برخوردار هستند مي تواند يک گزينه موثر باشد


پديده فتوولتائيك
اثر فتوالكتريك كه براي اولين بار توسط آلبرت انيشتين شرح داده شد. بر اساس اين پديده وقتي كه يك كوانتوم انرژي نوري يعني يك فوتون در يك ماده نفوذ مي كند، اين احتمال وجود دارد كه بوسيله الكترون جذب شود. و الكترون انتقال پيدامي كند.

اخيراً دانشمندان آمده اند سلولهاي خورشيدي ساخته اند. وقتي كه امواج الكترو مغناطيسي خورشيد برروي آن مي تابد، جفت ماده ها ( الكترون و پوزيترون ) يعني در نوار گاف نيم رسانا به تعداد زياد توليد مي شود «توليد زوج). در نتيجه برهم كنشهاي فيزيكي بين ذرات صورت مي گيرد كه نهايتاً منجر به يك پيل خورشيدي مي شود.

مواد سازنده سلول هاي خورشيدي

ماده اي كه سلولهاي خورشيدي از آنها ساخته مي شود سيليكون و آرسينورگاليم هستند. سلولهايي كه از سيليكون ساخته مي شوند از لحاظ تئوري بازده ماكزيمم حدود 22 درصد دارند. ولي بازده عملي آن حدود 15 تا 18 درصد است. در صورتي كه بازده سلولها يي كه از آرسينورگاليم ساخته مي شود بازده عملي آنها بيشتر از 20 درصد است.

ماهواره هاي دريافت كننده انرژي خورشيدي

يك ايستگاه فضايي در مداري كه هم زمان با زمين در حركت باشد دايماً با تابش خورشيد روشن مي شود. برقراري ماهواره هاي خورشيدي در مدار زمين بطور جدي در سال 1968 پيشنهاد شد. در اين ماهواره ها پانل هايي ساخته اند از جنس آرسينوگاليم كه انرژي خورشيد را دريافت و تبديل به جفت الكترون مي كند، در داخل ماده الكترون ها شروع به حركت مي كنند كه نهايتاً منجر به توليد الكتريسته مي شود. ضريب توان سلولها 18% ولتاژ بالاي آن 40 كيلو وات با 5% اتلاف توان محاسبه شده است.

با استفاده از سلولهاي خورشيدي ، مستقيماً مي‌توان از نور خورشيد برق توليد نمود. سلولهاي خورشيدي را سلولهاي فتوولتايي يا به اختصار PV نيز مي‌نامند. از اين نوع سلولها در ماشين حساب يا حتي فضا پيما استفاده مي‌شود



اولين بار آنها در دهة‌ 1950 در ماهواره هاي فضايي ايالت متحده مورد استفاده قرار گرفتند. اين سلولها از سيليكون (نوع خاصي از ماسه مذاب) ساخته شده‌اند.



زمانيكه نور خورشيد به سلولها برخورد مي كند، الكترونها آزاد شده و به سمت صفحه جلويي (رنگ آبي تيره)‌ حركت مي‌كنند (به تصوير توجه كنيد) . بدين ترتيب يك الكترون اضافي بين جلو و عقب صفحه توليد ميشود. زمانيكه دو صفحه توسط يك رابط مثل سيم بهم وصل مي‌شوند ، جريان برق بين قطب مثبت و منفي برقرار مي گردد.

مجموعه‌اي از سلولهاي خورشيدي در يك واحد فتوولتايي چيده شده و مجموعه اي از واحدهاي فتوولتايي نيز بصورت آرايه‌اي در كنار هم قرار مي گيرند (به تصوير توجه كنيد) .



بعضي از آرايه ها بر روي وسايل رديابي نصب شده كه بتوانند نور خورشيد را در تمام طول روز دنبال كنند . انرژي الكتريكي بدست آمده از سلولهاي خورشيدي را مستقيماً مي‌توان استفاده نمود. از اين انرژي مي‌توان براي روشنايي منازل و وسايل برقي، و نيز مراكز تجاري استفاده نمود. انرژي خورشيدي را ميتوان در باتريهايي ذخيره نمود و از آن براي روشنايي تابلو علائم كنار جاده ها در شب استفاده كرد. همچنين اين انرژي را مي‌توان در باتري ذخيره كرده و در تلفن هاي سلولي كه در كنار جاده ها نصب مي‌شود، استفاده نمود . بعضي از ماشين‌ها نيز بطور آزمايشي از سلولهاي فتوولتايي استفاده مي كنند. اين نوع ماشين ها نور خورشيد را مستقيماً به انرژي تبديل كرده و موتور الكتريكي را به حركت مي اندازند.

اكثر ما زمانيكه در خصوص انرژي خورشيدي فكر مي‌كنيم، تصويري از ماهواره هاي فضايي در ذهنمان نقش مي بندد. در تصوير،‌ صفحات خورشيديي كه بيرون از ماهواره قرار گرفته اند را مي بينيد.

کريستال سيليکون سی-اس آی



سی-اس آی، اصلي‌ترين ماده تجاري در توليد سلولهاي خورشيدي است و به اشکال مختلفي استفاده مي شود: سيليکون هاي تک کريستالي ، سيليکون هاي چند کريستالي و سيليکون لايه نازک .تکنيکهاي مرسوم براي توليد کريستالين سيليکون شامل : روش چوکرالسکي، روش محدوده شناور و روشهاي ديگري نظير ريخته‌گري مي باشد. زدودن ناخالصيها از سيليکون اهميت بسياري دارد. اين عمل با کمک تکنيکهايي چون منفعل سازي سطح ( با تابش هيدروژن به يک سطح ) و گترینگ ( يک روش شيميايي که با حرارت دادن ناخالصيها را از سيليکون بيرون مي کشد ) صورت مي پذيرد .با اينکه سلولهاي خورشيدي با سيليکون کريستالي ، از سال 1954 وجود داشته اند ، ابتکاري جديد رو به گسترش دارد . سلولهاي جديدي همچون ( ای دبلیو تی ) ، ( سیس ) از اين دسته اختراعات نو هستند .

سلولهاي خورشيدي با لايه نازک



اين نوع سلولها از لايه هاي بسيار نازک مواد نيمه هادي استفاده مي کنند که ضخامت آنها چند ميکرومتر است. اين لايه روي يک صفحه نگاه دارنده که از مواد ارزان مانند شيشه ، پلاستيک يا فولاد زنگ زن ساخته شده ، قرار مي گيرد. نيمه هادي‌هاي بکاررفته در لايه هاي نازک عبارتند از : سيليکون بي شکل ( آمورف ) ( آ-س آی) ، سی آی اس و تلوريد کادميم ( سی دی-تی ای ) . سيليکون آمورف ، ساختار کريستالي مشخص ندارد و تدريجاٌ با قرار گرفتن در برابر نور از بين رفته وکيفيت ابتدايي خود را از دست مي دهد. منفعل سازي به کمک هيدروژن مي تواند اين اثر را کاهش دهد . از آنجائي که مقدار مواد نيمه هادي بکار رفته در لايه نازک بسيار کمتر از سلولهاي پی وی معمول است، هزينه توليد سلولهاي نازک نيز به ميزان قابل ملاحظه‌اي کمتر از سلولهاي خورشيدي سيليکون کريستال است .
فن آوريهاي گروه سه و پنج
اين فن‌آوريهاي فتوولتائيک که بر اساس عناصر شيميايي گروه‌هاي سه و پنج جدول تناوبي ايجاد شده اند، بازده تبديل انرژي بسيار بالايي را چه در نور عادي و چه در نور متمرکز شده، از خود نشان مي دهند. سلولهاي تک کريستالي اين دسته معمولاٌ از آرسنيد گاليم ساخته مي شود. آرسنيد گاليم مي تواند همراه با عناصري مانند اينديم ، فسفر و آلومينيوم ، تشکيل آلياژهاي نيمه رسانايي بدهد که با مقادير مختلف انرژي نور خورشيد کار مي‌کنند
تجهيزات چند تايي با بهره وري بالا
در اين روش، سلولهاي خورشيدي تکي بر روي همديگر قرار مي گيرند تا ميزان دريافت و تيديل انرژي خورشيدي بيشينه شود. لايه بالايي بيشترين مقدارا انرژي را از نور دريافت کرده و مابقي را عبور مي‌دهد تا جذب لايه هاي بعدي بشوند. بيشتر فعاليتهاي اين زمينه از آرسنيد گاليم و آلياژهاي آن استفاده مي کند. همچنين از سيليکون آمورف ، سی آی اس و فسفيد اينديم گاليم نيز بهره گرفته مي شود . با وجود آنکه سلولهاي متشکل از دو بخش ساخته شده است، اما بيشترين توجه به سلولهاي با سه اتصال و چهار اتصال است. در اين انواع ، موادي چون ژرمانيم که کمترين ميزان انرژي نور را نيز دريافت مي کند، در پايين‌ترين لايه استفاده مي شود .

فاكتورهاي متفاوت و مهمي در توليد سلولهاي خورشيدي مطرح هستند. مواد نيمه رسانا عموماٌ با ناخالصيهاي مانند بورون يا فسفر تقويت مي شوند تا محدوده فرکانسهاي نور را که به آن پاسخ مي دهند، گسترش دهد. عمليات ديگري که انجام مي شود، شامل منفعل سازي سطحي مواد و بکارگيري پوششهاي ضد انعکاس مي باشند . محبوس کردن واحد کامل پی وی در يک پوسته محافظ، گام مهم ديگري در فرآيند توليد است.

سلولهاي خورشيدي پيشرفته

ديدگاههاي پيشرفته گوناگوني مسأله سلولهاي خورشيدي را مورد بررسي قرار مي دهند. سلولهاي خورشيدي حساس شده با رنگ ، سلولهايي هستند که از يک لايه دي‌اکسيد تيتانيوم آغشته به رنگ به جاي مواد نيمه رسانايي که در بيشتر سلولهاي خورشيدي براي ايجاد ولتاژ استفاده ميشود، استفاده ميكنند. چون دي اکسيد تيتانيوم به نسبت ارزانتر است، در حال حاضر ميتوان از سلولهاي خورشيدي پيشرفته تري مانند سلول هاي خورشيدي پليمري ( پلاستيکي ) – که مولکولهاي کربني بسيار بزرگي دارند – و سلولهاي فوتوالکتروشيميايي که از آب در مجاورت نور خورشيد مستيماٌ هيدروژن توليد مي کنند ، نام برد