ماهیت نور و طیف الکترومغناطیسی جهت درک پدیده فتوولتاییک :

مقدمه :

برای توضیح چگونگی تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی توسط پنل‌های سولار (صفحات خورشیدی) نیاز است که ابتدا به توضیح ماهیت نور و طیف الکترومغناطیسی و پس از آن، به توضیح پدیده فتوولتاییک پرداخته شود.

گستره تشعشعات الکترومغناطیسی (Electromagnetic Radiation Spectrum) شامل طیف وسیعی از امواج رادیویی با طول موج چندکیلومتر و فرکانس چند کیلوهرتز تا پرتوهای کیهانی (Cosmic Rays) با طول موج چند پیکومتر و فرکانس چند تراهرتز را در برمی‌گیرد.

اما چشم انسان از توانایی دیدن تنها بخش بسیار کوچکی از این گستره در بازه محدود ۳۸۰ تا ۷۸۰ نانومتر برخوردار است که نور مرئی نامیده می شود و درست بین امواج مادون قرمز (Infrared: IR) و ماورای بنفش (Ultraviolet: UV) قرار گرفته است. (شکل ۱)

شکل ۱ : بازه کامل تشعشع جهت توضیح ماهیت نور و طیف الکترومغناطیسی

ماهیت نور و طیف الکترومغناطیسی :

جهت توضیح ماهیت نور و طیف الکترومغناطیسی بر پایه مکانیک کوانتومی، دقیق‌ترین توصیف نور این است که از بسته های مجزایی از موج (Wave Packet) به نام فوتون تشکیل شده که در برخی مشاهدات از خود ماهیت موجی و در پاره ای دیگر از مشاهدات ماهیت ذره ای نشان می دهد و همین موضوع، پایه «نظریه دوگانگی موجی-ذره ای» (Wave-Particle Duality) نور را تشکیل می دهد.

هر فوتون نور دارای یک طول موج یا سطح انرژی است که این دو توسط رابطه زیر به هم مرتبط می باشند:

E  = hc/l

E: انرژی فوتون بر حسب ژول

h = 6.62606957×۱۰^-۳۴ ثابت پلانک بر حسب ژول ثانیه

c = 299792458  سرعت نور در خلأ بر حسب متر بر ثانیه

l: طول موج نور بر حسب متر

چون هر دو کمیت انرژی و طول موج فوتون اعداد بسیار کوچکی هستند، جهت سهولت محاسبات به ترتیب از واحدهای الکترون‌ولت و نانومتر استفاده می‌شود که در این صورت، رابطه فوق به صورت زیر خلاصه می گردد:

E = ۱۲۴۰/l

E : انرژی فوتون بر حسب الکترون‌ولت

l : طول موج فوتون بر حسب نانومتر

از این رابطه مشخص است که انرژی فوتون با طول موج آن نسبت عکس دارد و به عنوان مثال، انرژی فوتون آبی یا ماورای بنفش از فوتون قرمز یا مادون قرمز بیشتر است.

نیمه هادی‌ها :

در نیمه هادی‌ها، در دمای معمولی ۲۷ درجه سانتیگراد یا ۳۰۰ درجه کلوین، انرژی کافی برای انتقال تعداد کافی از اتمها از لایه ظرفیت اتم (Valence Band) به لایه هدایت (Conduction Band) وجود ندارد و حتی با وجود تعداد اندک اتم حاضر در لایه هدایت، نیمه‌هادی عملاً یک عایق الکتریکی محسوب می‌گردد.

در سیلیکون به عنوان مهمترین نیمه هادی که امروزه به صورت گسترده در تمام صنایع مورد استفاده قرار می گیرد، هر ۴ اتم مجاور با به اشتراک گذاشتن یک اتم از لایه ظرفیت خود تشکیل یک پیوند کووالانسی (Covalent Bond) می‌دهند.

با فرآیند تغلیظ (Doping) می‌توان مقدار کم و معینی از یک عنصر از گروه پنجم جدول تناوبی عناصر مانند فسفر یا ارسنیک که ۵ الکترون در لایه ظرفیت خود دارد، به ساختار سیلیکون اضافه نمود.

۴ الکترون لایه ظرفیت آن با ۴ اتم سیلیکون تشکیل پیوند می‌دهد، اما الکترون پنجم برای مشرکت در فرآیند هدایت آزاد است. به این نوع نیمه هادی نوع منفی یا n گفته می‌شود.

برعکس، با اضافه کردن یک  عنصر از گروه سوم جدول تناوبی مانند بور یا گالیم که ۳ اتم در لایه ظرفیت خود دارند، نیمه هادی نوع p بدست می‌آید که دارای یک حفره (Hole) اضافه می باشد. (شکل ۲)

شکل ۲ : تغلیظ یا دوپینگ (Doping) در نیمه‌هادی‌ها

پس از فرآیند تغلیظ، چگالی یکی از حاملهای الکتریکی (Carriers) از دیگری بیشتر می شود که به آن حامل اکثریت (Majority Carrier) و به دیگری حامل اقلیت (Minority Carrier) گفته می‌شود.

در نیمه هادی نوع n، حاملهای اکثریت الکترونها و حاملهای اقلیت حفره‌ها  در نیمه هادی نوع p، حاملهای اکثریت حفره‌ها و حاملهای اقلیت الکترونها می باشند.

اثر فتوولتاییک :

پس از توضیح ماهیت نور و طیف الکترومغناطیسی به توضیح پدیده یا اثر فتولتاییک می‌پردازیم.

اگر انرژی الکترون در لایه ظرفیت را با E_v و انرژی آن در لایه هدایت را با E_c نشان دهیم، انرژی لازم برای فرار از لایه ظرفیت به هدایت یا همان Band Gap برابر خواهد بود با:

E_g = E_{c –} E_v

اگر انرژی فوتون وارد شده به نیمه هادی را با E_ph نشان دهیم، بسته به میزان انرژی آن (یا همانطور که در بالا توضیح داده شد بسته به طول موج آن) یکی از سه حالت زیر اتفاق می‌افتد:

۱) E_ph < E_g :   انرژی فوتون برای پرتاب الکترون از لایه ظرفیت به هدایت کافی نیست

۲) E_ph = E_g :   انرژی فوتون برای پرتاب الکترون از لایه ظرفیت به هدایت کافی بوده و زوج الکترون-حفره تشکیل می‌گردد

۳) E_ph > E_g :

انرژی فوتون بیش از انرژی لازم برای پرتاب الکترون از لایه ظرفیت به هدایت بوده و هم زوج الکترون-حفره تشکیل می‌گردد و هم انرژی اضافی سبب انتقال الکترون به تراز ناپایدار بالاتر از تراز ظرفیت می‌گردد. اما این الکترون ناپایدار پس از مدت بسیار کوتاهی به تراز انرژی پایدار هدایت سقوط کرده و انرژی اضافی به صورت گرما تلف می‌گردد.

تولید انرژی الکتریکی :

پس از تشکیل اکسیتون (زوج الکترون-حفره یا همان Exciton که اکزیتون، اگزیتون و اکسایتون هم گفته می‌شود)، هرچه میزان پیوند دوباره (Recombination) آنها در داخل سلول خورشیدی کمتر باشد، بازده تبدیل انرژی سلول بیشتر می‌گردد که این امر با روشهای مختلفی تا حد امکان انجام می‌گردد.

در نهایت، اختلاف پتانسیل ایجاد شده توسط این جداسازی، منجر به عبور جریان الکترونها از طریق مدار بسته خارجی شامل ترمینالها و اتصالات الکتریکی و عبور جریان از بار خارجی می‌گردد و به این ترتیب، انرژی الکتریکی مورد نیاز بار از طریق نور خورشید تأمین می‌شود. (شکل ۳)

شکل ۳ : تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی در اثر پدیده فتوولتاییک