سلول خورشیدی عنصر تشکیل‌دهنده صفحات خورشیدی یا همان پنل‌های سولار :
مقدمه :
تولید انرژی الکتریکی از انرژی تابشی خورشید در تمامی انواع سلول خورشیدی بر پایه « اثر فتوولتاییک (PV) » می باشد که در بخش مربوطه به طور مفصل توضیح داده شده است و به طور بسیار خلاصه، از تحریک الکترون‌های لایه ظرفیت یک نیمه‌هادی توسط فوتونهای تابشی نور و انتقال آنها از لایه ظرفیت به لایه هدایت انجام می‌پذیرد.
انواع بسیار متنوعی از سلولهای در مراحل ساخت تجاری یا تحقیقاتی وجود دارد که آنها را به شرح زیر می‌توان دسته‌بندی نمود:
۱) مونوکریستالی (Mono-Crystalline)
۲) پلی کریستالی (Poly-Crystalline)
۳) فیلم نازک (Thin Film)
۴) پلیمری یا ارگانیک (Polymeric/Organic)
سلول خورشیدی مونوکریستال (Mono-Crystalline) :
جنس بیشتر انواع سلول خورشیدی رایج در سطح تولید تجاری، سیلیکون می‌باشد که برای افزایش کارایی و بازدهی، مواد دیگری از طریق فرآیند تغلیظ (Doping) بدان افزوده می‌گردد.
فرآیند تولید سلولهای مونو کریستال به این صورت می‌باشد که یک دانه (Seed) اولیه کوچک سیلیکون طی یک فرآیند کند و تدریجی به یک شمش (Ingot) بزرگ تا طول ۲ متر و وزن صدها کیلوگرم رشد داده می شود.
سپس این شمش به شکل ویفرهای بسیار نازک سیلیکون با ضخامت چند صد میکرون به شکل‌های مختلف (عموماً هشت ضلعی یا مربع) برش می‌خورد تا شکل آشنای سلولهای مونو را تشکیل دهد.
پنل سولار مونو کریستال :
یک پنل سولار مونو کریستالی به این صورت ساخته می‌شود که ابتدا سلولها به صورت ماتریسی از سلولهای سری (برای افزایش ولتاژ) و موازی (برای افزایش جریان) به هم متصل می شوند.سپس داخل یک قاب فلزی مستحکم نصب گردیده و یک پوشش شیشه‌ای شفاف و ضخیم برای حفاظت در برابر ضربات فیزیکی روی سلولها نصب می شود و خروجی الکتریکال پنل توسط دو کابل با کانکتور قفل‌دار به بیرون هدایت می گردد. اصلی ترین ویژگی یک پنل حداکثر توان (بار) خروجی و سپس ولتاژ و جریان آن در بار ماکزیمم می باشد.
مزایا :
• بیشترین بازده یا راندمان
• پایداری به خاطر کاهش بسیار جزیی راندمان به مرور زمان
معایب :
• قیمت بالا
• وزن زیاد
• ضخامت زیاد
• شکنندگی زیاد
بازده این نوع سلول خورشیدی در رده تحقیقاتی و آزمایشگاهی بالای %۴۰ و در کاربردهای فضایی و نظامی بالای %۳۰ است. اما انواع رایج در بازار دارای بازدهی بین %۱۶ تا %۲۰ می‌باشند که البته این ارقام با پبشرفت فناوری مرتب در حال افزایش هستند.
شکل ۱ : Ingot یا شمش سیلیکون
شکل ۲ :سلول مونوکریستال و پنل مربوطه
شکل ۳ : ساختار یک پنل مونوکریستال
شکل ۴ : نیروگاه خورشیدی با استفاده از پنل‌های مونوکریستال
سلول خورشیدی پلی کریستال (Poly-Crystalline) :
بر خلاف سلولهای مونوکریستال که از یک شمش با ساختار کریستالی یکنواخت برش می‌خورند، سلولهای پلی‌کریستال از برش شمش‌هایی که دارای ساختار غیر یکنواخت هستند بدست می‌آیند. برای تولید این نوع سلولها، سیلیکون مذاب به جای شکل‌گیری دور یک هسته (Seed) اولیه به صورت یکپارچه، درون یک قالب طی یک فرآیند متالورژی ساده‌تر و سریعتر به شکل نواحی به شکل کاملاً مشخص (Grain) شکل گرفته و سپس به شکل ویفرهای سیلیکونی برش می خورد. ظاهر پوسته‌پوسته یا فلس (Flake) مانند این نوع سلولها نیز به سبب همین فرآیند خاص تولید می باشد.
این فرآیند کم‌هزینه‌تر و سریعتر سبب ارزانتر بودن این نوع سلولها و در مقابل، پایین‌تر بودن راندمان آنها به نسبت سلولهای مونو می باشد.
پنل سولار پلی کریستال :
ساختار پنل‌های پلی‌کریستال نیز دقیقاً مانند پنل‌های مونو می باشد که شامل ماتریسی از سلولها به صورت سری و موازی (پارالل) درون یک قاب فلزی و دارای یک پوشش شیشه‌ای است.
مزایا :
• بازده متوسط
• پایداری به خاطر کاهش بسیار جزیی راندمان به مرور زمان
معایب :
• قیمت نسبتاً بالا
• وزن زیاد
• ضخامت زیاد
• شکنندگی زیاد
بازده این نوع سلول خورشیدی در رده تحقیقاتی و آزمایشگاهی حدود %۱۹ و در رده تجاری تولید انبوه بین %۱۲ تا %۱۶ می‌باشد که البته این ارقام با پبشرفت فناوری مرتب در حال افزایش هستند.
شکل ۵ : سلول و پنل سولار سلول پلی‌کریستال
شکل ۶ : مقایسه ظاهر سلول خورشیدی مونو و پلی کریستال
شکل ۷ : ساختار پنل سولار با سلولهای پلی‌کریستال
شکل ۸ : پنل‌های پلی‌کریستال نصب شده روی سقف خانه
هر دو نوع سلول خورشدی مونو کریستال و پلی کریستال که بر پایه ویفر سیلیکون هستند، نسل اول سلولهای خورشیدی محسوب می‌گردند که امروزه بیش از %۹۰ بازار سلولهای خورشیدی را در اختیار دارند.
سلول خورشیدی فیلم نازک ( “Thin Film Solar Cell “TFSC) :
این نوع سلول خورشیدی متعلق به نسل دوم سلول‌هاست که مواد اولیه ساخت آن به چهار دسته زیر تقسیم می‌شود:
۱) سیلیکون آمورف (a-Si)
۲) تلورید کادمیوم/سولفید کادمیوم (CdTe/CdS)
۳) سلنید گالیوم اینیدیوم مس (CIGS)
۴) ارسنید گالیوم (GaAs)
فرآیند کلی تولید این نوع سلولها به صورت رسوب یا نشست (Deposition) یک لایه یا فیلم بسیار نازک از مواد فتوولتاییک با ضخامت چند نانومتر تا چند میکرون روی بستر (Substrate) با ضخامت کم از جنس شیشه، پلاستیک یا فلز می‌باشد.
بازده این نوع سلولها در سطح تولید تجاری بین %۱۰ تا %۱۵ می باشد. اما بازده سلولهای بسیار گرانقیمت GaAs حدود %۳۰ می‌باشد که به دلیل سبکی و بازده خوب، برای ساخت پنل‌های خورشیدی فضاپیماها و ماهواره‌ها استفاده می‌شود که وزن و راندمان، فاکتورهای مهمتری از هزینه برایشان محسوب می‌گردد.
کاربرد :
انعطاف‌پذیری و شفافیت نسبی سلولهای فیلم نازک، کاربردهایی مانند نصب در نمای ساختمان یا استفاده در نماهای شیشه‌ای مات را ممکن ساخته است. همچنین، این نوع سلولها برای رسیدن به توان نامی نیازی به قرارگیری در معرض تابش مستقیم خورشید ندارند و بنابراین برای کاربرد در فضاهای سرپوشیده مانند تغذیه ماشین‌حساب‌های رومیزی نیز بکار می‌روند.
مزایا :
• انعطاف‌پذیری
• وزن کم
• امکان تولید به صورت نیمه شفاف
• فرآیند تولید کم هزینه‌تر
• عدم نیاز به تابش مستقیم خورشید
معایب :
• بازده و پایداری کمتر نسبت به سلولهای نسل نخست
• وابستگی به فلزات سنگین مضر برای محیط زیست (مانند کادمیوم Cadmium) یا عناصر کمیاب (مانند تلوریوم Tellurium)
شکل ۹ : مقایسه سلولهای فیلم نازک، مونو و پلی کریستال
شکل ۱۰ : نمایش انعطاف و صخامت کم سلول خورشیدی فیلم نازک
شکل ۱۱ : پنل سولار فیلم نازک به شکل پوشش بام شیروانی
شکل ۱۲ : تغذیه ماشین حساب رومیزی توسط پنل سولار فیلم نازک
سلول خورشیدی پلیمری یا ارگانیک (Polymerc/Organic Solar Cells) :
به طور کلی این نوع از سلولهای خورشیدی از حل کردن پلیمرها در حلال‌های ارگانیک و قراردادن آنها روی بستر (Substrate) از جنس شیشه یا پلاستیک نوع پت (PET: Poly-Ethylene Terephthalate) توسط تکنیک‌های مختلف چاپ یا پوشش می‌باشد.
ساختار :
همانطور که در شکل ۱۳ دیده می‌شود، ساختار سلولهای پلیمری از لایه‌های زیر تشکیل شده است:
۱) لایه فعال (Active Layer) :
همانطور که در مطلب «اثر فتوولتاییک (PV)» به تفصیل توضیح داده شد، اصول کارکرد تمامی انواع سلولهای خورشیدی بر پایه ایجاد زوج الکترون-حفره یا همان Exciton از انرژی فوتونهای تابش خورشید انجام می‌پذیرد که این عمل در همین لایه صورت می‌پذیرد.
۲) لایه‌های انتقال (ETL (Electron Transport Layer و (HTL (Hole Transport Layer :
وظیفه اصلی این لایه‌ها، ایجاد مسیری برای جلوگیری از پدیده بازترکیب (Recombination) زودهنگام الکترون‌های جداشده از حفره ها می‌باشد. این پدیده یکی از دلایل کاهنده بازده سلولهای خورشیدی است.
۳) الکترودهای مثبت و منفی :
این الکترودها نقش ترمینال‌های الکتریکی سلول برای عبور جریان به سمت مدار خارجی را بر عهده دارند.
انواع چیدمان :
چیدمان سلولهای پلیمری به صورت‌های زیر می‌باشد:
چیدمان عادی (Normal) :
در این چیدمان نور پس از عبور از بستر شفاف شیشه‌ای یا پلاستیکی و الکترود مثبت شفاف و لایه انتقال حفره شفاف (HTL)، به لایه فعال می‌رسد.
چیدمان معکوس (Inverted) :
در این چیدمان نور پس از عبور از بستر شیشه‌ای یا پلاستیکی شفاف و الکترود منفی شفاف و لایه انتقال الکترون شفاف (ETL)، به لایه فعال می‌رسد.
لایه فعال نیز از دو بخش «دهنده» (Donor) و «پذیرنده» (Acceptor) تشکیل شده که وظیفه آن، شکستن پیوند الکترون-حفره (Exciton Bond) و هدایت الکترون به سمت پذیرنده و حفره به سمت دهنده می‌باشد. برای جلوگیری از بازترکیب زوج الکترون-حفره که به سرعت انجام می‌پذیرد، فاصله دهنده و پذیرنده می‌بایست کمتر از ۱۰ نانومتر باشد.
ساختار چند ردیفه (Tandem) :
در این نوع چیدمان در هر لایه فعال بسته به جنس ماده سازنده، فقط طول موجی خاصی از نور خورشید سبب تحریک الکترون‌ها و ایجاد زوج الکترون-حفره می گردد و بقیه طیف طول موج به صورت گرما تلف می‌شود. جهت افزایش بازده از ساختار متوالی (Tandem) دارای چند لایه فعال استفاده می‌گردد که تحریک الکترون و ایجاد Exciton در هر لایه توسط فوتونهای با طول موج متفاوت انجام شده و به زبان ساده، استفاده بیشتری از میزان ثابت نور ورودی به سلول جهت استخراج انرژی الکتریکی انجام می‌گردد.
مزایا :
• وزن کم
• شفافیت
• انعطاف‌پذیری
• هزینه مواد اولیه پایین
• هزینه تولید پایین
• قابلیت چاپ با رنگ‌ها و طرح‌های متنوع با استفاده از تکنیک‌های متداول مانند چاپ رولی (Roll-to-Roll)
معایب :
• بازده پایین
• پایداری پایین به مفهوم کاهش بازده به مرور زمان
بازده این نوع سلولها در رده تجاری بین %۶ تا %۱۲ و در رده آزمایشگاهی تا %۱۵ می باشد که این ارقام با پیشرفت فناوری‌های مربوطه مرتباً در حال افزایش است.
شکل ۱۳ : ساختار سلول خورشیدی پلیمری یک ردیفه (Single Stack)
شکل ۱۴ : ساختار سلول خورشیدی پلیمری چند ردیفه (Tandem Stack)
شکل ۱۵ : چاپ سلول خورشیدی پلیمری با استفاده از تکنیک چاپ رولی (Roll to Roll)
