پانل‌های خورشیدی ---- سلول‌های باتری

سلول های خورشیدی نوعی عنصر فوتوالکتریک هستند که می توانند انرژی را تبدیل کنند. ساختار اصلی آنها با ترکیب نیمه هادی های نوع P و نوع N شکل می گیرد. اساسی ترین ماده نیمه هادی ها "سیلیکون" است که نارسانا است. با این حال، اگر ناخالصی های مختلف به نیمه هادی ها اضافه شود، می توان نیمه هادی های نوع P و N را ساخت. سپس، اختلاف پتانسیل بین نیمه هادی نوع P با سوراخ (نیمه رسانای نوع P فاقد یک الکترون با بار منفی است که می تواند به عنوان یک بار مثبت اضافی در نظر گرفته شود) و نیمه هادی نوع N با یک الکترون آزاد اضافی استفاده می شود. تولید جریان بنابراین، هنگامی که نور خورشید می تابد، انرژی نور، الکترون های اتم های سیلیکون را تحریک می کند و همرفت الکترون ها و حفره ها را ایجاد می کند. این الکترون ها و حفره ها تحت تأثیر پتانسیل داخلی قرار می گیرند و به ترتیب توسط نیمه هادی های نوع N و P جذب می شوند و در هر دو انتها جمع می شوند. در این زمان، اگر بیرون با الکترودها متصل شود تا یک مدار تشکیل شود، این اصل تولید انرژی سلول خورشیدی است.

سلول های خورشیدی را می توان با توجه به حالت کریستالی خود به دو دسته تقسیم کرد: نوع لایه نازک کریستالی و نوع لایه نازک غیر کریستالی (از این پس a- نامیده می شود) و اولی بیشتر به نوع تک کریستالی و نوع پلی کریستالی تقسیم می شود.

با توجه به مواد، آنها را می توان به نوع فیلم نازک سیلیکونی، نوع لایه نازک نیمه هادی مرکب و نوع فیلم آلی، و نوع فیلم نازک نیمه هادی مرکب به نوع غیر بلوری (a-Si:H، a-Si: H:F، a-SixGel-x:H و غیره)، گروه IIIV (GaAs، InP، و غیره)، گروه IIVI (سری Cds) و فسفید روی (Zn3p2) و غیره.

با توجه به مواد مختلف مورد استفاده، سلول های خورشیدی را می توان به: سلول های خورشیدی سیلیکونی، سلول های خورشیدی لایه نازک چند ترکیبی، سلول های خورشیدی الکترود اصلاح شده چند لایه پلیمری، سلول های خورشیدی نانوکریستالی، سلول های خورشیدی آلی، سلول های خورشیدی پلاستیکی، از جمله سلول های خورشیدی سیلیکونی تقسیم کرد. سلول ها بالغ ترین هستند و در کاربردها غالب هستند.

1. سلول های خورشیدی سیلیکونی

سلول های خورشیدی سیلیکونی به سه نوع تقسیم می شوند: سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی، سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکونی پلی کریستالی و سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکونی آمورف.

(1) سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی دارای بالاترین راندمان تبدیل و بالغ ترین فناوری هستند. بالاترین راندمان تبدیل در آزمایشگاه 24.7٪ و راندمان در تولید در مقیاس بزرگ 15٪ (تا سال 2011، 18٪ است). هنوز هم در کاربردهای بزرگ و تولید صنعتی جایگاه غالبی را اشغال می کند، اما به دلیل هزینه بالای سیلیکون تک کریستالی، کاهش قابل توجه هزینه آن دشوار است. به منظور صرفه جویی در مواد سیلیکونی، لایه نازک سیلیکونی پلی کریستالی و لایه نازک سیلیکونی آمورف به عنوان جایگزینی برای سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی توسعه یافته اند.

(2) سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکونی پلی کریستالی در مقایسه با سیلیکون تک کریستالی ارزان تر و کارآمدتر از سلول های فیلم نازک سیلیکونی آمورف هستند. بالاترین راندمان تبدیل آزمایشگاهی آن 18٪ و راندمان تبدیل تولید در مقیاس صنعتی 10٪ است (تا سال 2011، 17٪ است). بنابراین، سلول های لایه نازک سیلیکونی پلی کریستالی به زودی موقعیت غالب در بازار سلول های خورشیدی را اشغال خواهند کرد.

(3) سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکونی آمورف از نظر هزینه و وزن کم، با راندمان تبدیل بالا، تولید انبوه آسان، و پتانسیل بالایی دارند. با این حال، به دلیل اثر فروپاشی راندمان فوتوالکتریک ناشی از مواد آن، پایداری آن زیاد نیست، که به طور مستقیم بر کاربرد عملی آن تأثیر می گذارد. اگر بتوان مشکل پایداری را بیشتر حل کرد و مشکل نرخ تبدیل را بهبود بخشید، بدون شک سلول های خورشیدی سیلیکونی آمورف یکی از محصولات اصلی توسعه سلول های خورشیدی خواهند بود.

2. سلول های خورشیدی لایه نازک کریستالی

سلول های لایه نازک پلی کریستالی سلول های لایه نازک پلی کریستالی سولفید کادمیوم و تلورید کادمیوم کارآمدتر از سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکونی آمورف هستند، ارزان تر از سلول های سیلیکونی تک کریستالی هستند و تولید انبوه آن آسان است. با این حال، کادمیوم بسیار سمی است و باعث آلودگی جدی محیط زیست می شود. بنابراین، ایده آل ترین جایگزین برای سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی نیست.

راندمان تبدیل سلول های ترکیبی III-V آرسنید گالیوم (GaAs) می تواند به 28٪ برسد. مواد ترکیبی GaAs دارای شکاف باند نوری بسیار ایده آل و راندمان جذب بالا، مقاومت در برابر تشعشع قوی و غیر حساس به گرما هستند. آنها برای ساخت سلول های تک اتصالی با راندمان بالا مناسب هستند. با این حال، قیمت مواد GaAs بالا است، که محبوبیت سلول‌های GaAs را بسیار محدود می‌کند.

سلول های لایه نازک سلنید مس ایندیم (به اختصار CIS) برای تبدیل فوتوالکتریک مناسب هستند، مشکل تخریب ناشی از نور را ندارند و دارای راندمان تبدیل مشابه سیلیکون پلی کریستالی هستند. با مزایای قیمت پایین، عملکرد خوب و فرآیند ساده، به یک جهت مهم برای توسعه سلول های خورشیدی در آینده تبدیل خواهد شد. تنها مشکل منبع مطالب است. از آنجایی که ایندیم و سلنیوم عناصر نسبتا کمیاب هستند، توسعه این نوع باتری ناگزیر محدود است.

3. سلول های خورشیدی پلیمری آلی

جایگزینی مواد معدنی با پلیمرهای آلی یک جهت تحقیقاتی جدید توسعه یافته برای تولید سلول های خورشیدی است. با توجه به مزایای انعطاف پذیری خوب، تولید آسان، منابع گسترده مواد و هزینه کم مواد آلی، استفاده در مقیاس وسیع از انرژی خورشیدی و تامین برق ارزان از اهمیت زیادی برخوردار است. با این حال، تحقیقات در مورد آماده سازی سلول های خورشیدی با مواد آلی به تازگی آغاز شده است. اینکه آیا می‌توان آن را به محصولی با اهمیت عملی تبدیل کرد یا خیر، باید بیشتر مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد.

4. سلول های خورشیدی نانو کریستالی

سلول های خورشیدی نانو کریستالی به تازگی ساخته شده اند. مزایای آنها هزینه کم، فرآیند ساده و عملکرد پایدار آنها است. راندمان فوتوالکتریک آنها در بیش از 10٪ پایدار است و هزینه تولید تنها 1/5 تا 1/10 از سلول های خورشیدی سیلیکونی است. طول عمر می تواند به بیش از 20 سال برسد. تحقیق و توسعه چنین باتری هایی به تازگی آغاز شده است و در آینده نزدیک به تدریج وارد بازار خواهند شد.