سلول خورشیدی

سلول خورشیدی یک ساختار الکترونیکی است که مستقیماً نور خورشید را به برق تبدیل می کند. نوری که به پنل خورشیدی می تابد، هم جریان و هم ولتاژ برای تولید برق ایجاد می کند. در عمل تقریباً تمامی تبدیل و تولید انرژی از فتوولتائیک به واسطه مواد نیمه هادی که به شکل پیوند p-n هستند امکان می یابد. مراحل اصلی در چرخه عملکرد یک سلول خورشیدی عبارتند از:

    تولید حامل های تولیدشده از نور؛

    جمع آوری حامل های تولید شده از نور برای تولید جریان.

    تولید یک ولتاژ بزرگ در سراسر سلول خورشیدی؛ و

    مصرف نیروی تولیدی در بار و سایر مقاومت های پارازیتی.

اثر فتوولتائیک

مجموعه حامل های تولید شده با نور به خودی خود باعث تولید برق نمی شود. برای تولید برق، باید یک ولتاژ و همچنین یک جریان تولید شود. ولتاژ در سلول خورشیدی توسط فرآیندی به نام “اثر فتوولتائیک” تولید می شود. مجموعه ای از حامل های تولید شده توسط نور توسط اتصال p-n باعث حرکت الکترون ها به سمت نوع n و حفره ها به سمت نوع p پیوند می شود. در شرایط اتصال کوتاه، شارژی ایجاد نمی‌شود، زیرا حامل‌ها به عنوان جریان تولید شده توسط نور از دستگاه خارج می‌شوند.

با این حال، اگر از خروج حامل های نوری از سلول خورشیدی جلوگیری شود، جمع آوری حامل های تولید شده با نور باعث افزایش تعداد الکترون ها در سمت نوع n پیوند p-n و افزایش مشابهی در حفره ها در سلول خورشیدی می شود. مواد نوع p جداسازی بار میدان الکتریکی در محل اتصال را ایجاد می کنند که در تقابل با میدان الکتریکی موجود در محل اتصال است و در نتیجه میدان الکتریکی خالص را کاهش می دهد. از آنجایی که میدان الکتریکی مانعی برای جریان انتشار بایاس رو به جلو است، کاهش میدان الکتریکی جریان انتشار را افزایش می‌دهد و تعادل جدیدی حاصل می شود که در آن ولتاژی در اتصال p-n وجود دارد. جریان در سلول خورشیدی حاصل تفاوت بین جریان تولیدی نور و جریان بایاس رو به جلو است. در شرایط مدار باز، بایاس رو به جلو اتصال تا نقطه ای افزایش می یابد که جریان تولید شده توسط نور دقیقاً توسط جریان انتشار بایاس رو به جلو متعادل می شود و جریان خالص صفر می شود. ولتاژ مورد نیاز برای ایجاد تعادل این دو جریان «ولتاژ مدار باز» نامیده می شود.

پارامترهای سلول خورشیدی

جریان اتصال کوتاه

جریان اتصال کوتاه جریان عبوری از پنل خورشیدی در زمانی است که ولتاژ در سلول خورشیدی صفر است (یعنی زمانی که سلول خورشیدی اتصال کوتاه دارد). معمولا به صورت ISC نوشته می شود.

سلول های خورشیدی سیلیکونی تحت طیف AM1.5 دارای حداکثر جریان ممکن 46 mA/cm2 هستند. دستگاه های آزمایشگاهی جریان های اتصال کوتاه بیش از 42 میلی آمپر بر سانتی متر مربع را اندازه گیری کرده اند و سلول های خورشیدی تجاری دارای جریان های اتصال کوتاه بین 28 میلی آمپر بر سانتی متر مربع و 35 میلی آمپر بر سانتی متر مربع هستند.

ولتاژ مدار باز

ولتاژ مدار باز، VOC، حداکثر ولتاژ موجود در یک پنل خورشیدی است و این ولتاژ در جریان صفر رخ می دهد. ولتاژ مدار باز مربوط به مقدار بایاس رو به جلو در سلول خورشیدی که به دلیل بایاس اتصال سلول خورشیدی با جریان تولید شده توسط نور ایجاد می‌شود.

فاکتور پُرکنندگی

جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز به ترتیب حداکثر جریان و ولتاژ یک پنل خورشیدی هستند. با این حال، در هر دو نقطه عملیاتی، توان سلول خورشیدی صفر است. “ضریب پُر” که بیشتر با مخفف “FF” شناخته می شود، پارامتری است که در ارتباط با Voc و Isc، حداکثر توان یک سلول خورشیدی را تعیین می کند. FF به عنوان نسبت حداکثر توان از سلول خورشیدی به حاصل ضرب Voc و Isc تعریف می شود.

این معادله نشان می دهد که ولتاژ بالاتر، FF احتمالی بالاتری خواهد داشت. تفاوت بین حداکثر ولتاژ مدار باز اندازه‌گیری شده برای یک دستگاه آزمایشگاهی سیلیکونی و یک سلول خورشیدی تجاری معمولی حدود 120 میلی‌ولت است که حداکثر FF را به ترتیب 0.85 و 0.83 می‌دهد. با این حال، تغییر در حداکثر FF می تواند برای سلول های خورشیدی ساخته شده از مواد مختلف قابل توجه باشد. به عنوان مثال، یک سلول خورشیدی GaAs ممکن است دارای FF نزدیک به 0.89 باشد.

بازده سلول خورشیدی

راندمان متداول‌ترین پارامتری است که برای مقایسه عملکرد یک پنل خورشیدی با پنل خورشیدی دیگر استفاده می‌شود. بازده به عنوان نسبت انرژی خروجی از سلول خورشیدی به انرژی ورودی از خورشید تعریف می شود. علاوه بر انعکاس عملکرد خود سلول خورشیدی، کارایی آن به طیف و شدت تابش نور خورشید و دمای سلول خورشیدی بستگی دارد. بنابراین، شرایطی که تحت آن راندمان اندازه گیری می‌شود باید به دقت کنترل شود تا عملکرد یک دستگاه با دستگاه دیگر مقایسه شود. سلول های خورشیدی در شرایط AM1.5 و در دمای 25 درجه سانتی گراد اندازه گیری می شوند. سلول های خورشیدی در نظر گرفته شده برای استفاده در فضا در شرایط AM0 اندازه گیری می شوند.

شاخصه مقاومتی

مشخصه مقاومت یک سلول خورشیدی، مقاومت خروجی سلول در نقطه حداکثر توان آن است. اگر مقاومت بار برابر با مقاومت سلول خورشیدی باشد، حداکثر توان به بار منتقل می شود و سلول خورشیدی در نقطه حداکثر توان خود کار می کند. این یک پارامتر مفید در تجزیه و تحلیل پنل های خورشیدی است، به ویژه در هنگام بررسی تاثیر مکانیسم های اتلاف پارازیتی. اثرات مقاومتی پارازیتی در سلول های خورشیدی با اتلاف نیرو در مقاومت ها، کارایی سلول خورشیدی را کاهش می دهد. رایج ترین مقاومت های پارازیتی، مقاومت سری و مقاومت موازی است.

اثر دما

مانند سایر دستگاه های نیمه هادی، پنل های خورشیدی به دما حساس هستند. افزایش دما باعث کاهش فاصله باند نیمه هادی می شود و در نتیجه بیشتر پارامترهای مواد نیمه هادی را تحت تأثیر قرار می دهد. کاهش شکاف نواری یک نیمه هادی با افزایش دما را می توان به عنوان افزایش انرژی الکترون های ماده در نظر گرفت. بنابراین انرژی کمتری برای شکستن پیوند مورد نیاز است. کاهش انرژی پیوند باعث کاهش فاصله باند نیز می شود. بنابراین افزایش دما باعث کاهش باندگپ می شود.

در یک سلول خورشیدی، پارامتری که بیشتر تحت تاثیر افزایش دما قرار می گیرد، ولتاژ مدار باز است.

اثر شدت نور

تغییر شدت نور در یک سلول خورشیدی، تمام پارامترهای سلول خورشیدی، از جمله جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز، FF، راندمان و تاثیر مقاومت‌های سری و موازی را تغییر می‌دهد. شدت نور در پنل خورشیدی مطابق با روشنایی استاندارد در AM1.5 یا 1 کیلووات بر متر مربع است. یک پنل PV که برای کار در این شرایط خورشیدی طراحی شده است، ماژول “صفحه تخت” نامیده می شود در حالی که ماژول هایی که از نور خورشید متمرکز استفاده می کنند ماژول های “متمرکز” نامیده می شوند.

شدت نور کم

پنلهای خورشیدی تغییرات روزانه در شدت نور را تجربه می‌کنند، با توان تابشی از خورشید بین 0 تا 1 کیلووات بر متر مربع. در سطوح نور کم، اثر مقاومت موازی به طور فزاینده ای مهم می شود. با کاهش شدت نور، نقطه بایاس و جریان عبوری از سلول خورشیدی نیز کاهش می یابد و مقاومت معادل سلول خورشیدی ممکن است شروع به نزدیک شدن به مقاومت موازی کند. هنگامی که این دو مقاومت مشابه باشند، کسری از کل جریان عبوری از مقاومت موازی افزایش می‌یابد و در نتیجه تلفات کسری توان ناشی از مقاومت موازی افزایش می‌یابد. در نتیجه، در شرایط ابری، یک سلول خورشیدی با مقاومت موازی بالا نسبت به یک سلول خورشیدی با مقاومت موازی پایین کسر بیشتری از بازده اصلی خود را حفظ می‌کند.

اصول طراحی سلول خورشیدی

طراحی سلول خورشیدی شامل تعیین پارامترهای ساختار سلول خورشیدی به منظور به حداکثر رساندن بازده، با توجه به مجموعه خاصی از محدودیت ها است. این محدودیت ها توسط محیط کاری که در آن سلول های خورشیدی تولید می شوند، تعریف می شوند. برای مثال در یک محیط تجاری که هدف آن تولید یک سلول خورشیدی با قیمت رقابتی است، هزینه ساخت یک ساختار سلول خورشیدی خاص باید در نظر گرفته شود. با این حال، در یک محیط تحقیقاتی که هدف آن تولید یک سلول از نوع آزمایشگاهی بسیار کارآمد است، به حداکثر رساندن کارایی به جای هزینه، توجه اصلی است.

بازده نظری برای تبدیل فتوولتائیک بیش از 86.8٪ است. با این حال، رقم 86.8٪ از محاسبات تعادل جزء به جزء بهره می‌گیرد و موارد عملیاتی دستگاه را توصیف نمی کند. برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، راندمان واقعی‌تر در زیر تابش عملیاتی خورشیدی حدود 29% است. تفاوت بین راندمان نظری بالا و بازده اندازه گیری شده از سلول های خورشیدی عمدتاً به دو عامل مربوط می شود. اولین مورد این است که پیش‌بینی‌های نظری حداکثر بازده ای را فرض می‌کنند که از انرژی هر فوتون به‌طور بهینه استفاده می‌شود و هیچ فوتون جذب نشده‌ای وجود ندارد و هر فوتون در ماده‌ای جذب می‌شود که دارای شکاف نواری برابر با انرژی فوتون است.

عامل دوم این است که پیش‌بینی‌های بازده نظری بالا نسبت متمرکزکنندگی بالایی را فرض می‌کنند. با فرض اینکه دما و اثرات مقاومتی در یک سلول خورشیدی متمرکز کننده غالب نباشد، افزایش شدت نور به طور متناسب جریان اتصال کوتاه را افزایش می دهد. از آنجایی که ولتاژ مدار باز (Voc) به جریان اتصال کوتاه نیز بستگی دارد، Voc با سطح نور به صورت لگاریتمی افزایش می‌یابد. علاوه بر این، از آنجایی که حداکثر ضریب پر شدن (FF) با Voc افزایش می‌یابد، حداکثر FF ممکن نیز با متمرکزکنندگی افزایش می‌یابد که به پنل های متمرکز کننده اجازه می‌دهد بازده بالاتری را به دست آورند.

در طراحی چنین سلول های خورشیدی تک اتصالی، اصول به حداکثر رساندن بازده سلول عبارتند از:

    افزایش مقدار نور جمع آوری شده توسط سلول که به حامل تبدیل می شود.

    افزایش جمع آوری (جداسازی) حامل های تولید شده توسط نور توسط اتصال p-n.

    به حداقل رساندن جریان تاریک بایاس رو به جلو.

    استخراج جریان از سلول بدون تلفات مقاومتی.

برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، محدودیت‌های طراحی اولیه در بازتاب سطح، جمع‌آوری حامل، نوترکیب و مقاومت‌های پارازیتی منجر به یک دستگاه بهینه با بازده نظری حدود 25 درصد می‌شود. توجه داشته باشید که نوآوری‌های سال‌های اخیر طرح‌های دیگری را شناسایی کرده‌اند که می‌توانند از نظر کارایی از این طرح پیشی بگیرند.

کارایی و قیمت سلول خورشیدی

در شرایط آزمایشگاهی و با تکنولوژی روز، امکان تولید پنل خورشیدی سیلیکونی مونوکریستالی نزدیک به 25 درصد وجود دارد. پنل های تولید انبوه تجاری ممکن است نزدیک به 20 درصد کارایی داشته باشند. دلیل اصلی این تفاوت در راندمان این است که تکنیک‌های تحقیقاتی مورد استفاده در آزمایشگاه برای تولید تجاری در صنعت برق خورشیدی مناسب نیستند و بنابراین از تکنیک‌های کم‌هزینه‌تر که منجر به راندمان پایین‌تر می‌شود، استفاده می‌شود. پیشرفت‌ها در سال‌های اخیر شکاف بین کارایی آزمایشگاهی و تجاری را کمتر کرده است، زیرا شرکت‌ها راه‌هایی را برای کاهش هزینه اجرای طرح‌های با راندمان بالاتر شناسایی کرده‌اند.

تحقیقات سلول‌های خورشیدی برای بهبود کارایی آنها، با هدف رسیدن به حد مجاز فعلی 29 تا 30 درصد ادامه دارد. نتایج کارایی سلول های خورشیدی تولید شده تجاری همیشه چند سال از نتایج کارایی سلول های تولید شده در آزمایشگاه عقبتر است. راندمان ماژول بیش از 20٪ در حال حاضر به صورت تجاری تولید می شود. برای هزینه یک پنل خاص، ماژول های کارآمدتر مقرون به صرفه تر هستند زیرا هزینه های اضافی کمتری (مانند مساحت زمین، هزینه های سیم کشی و غیره) برای تولید همان مقدار برق مورد نیاز است. در نهایت، این بدان معنی است که هر چه یک ماژول PV کارآمدتر باشد و در نتیجه مقرون به صرفه تر باشد، برق خورشیدی به عنوان منبع برق مصارف خانگی و صنعتی جذاب تر خواهد بود.

انواع سیلیکون

سیلیکون یا سایر مواد نیمه هادی مورد استفاده برای سلول های خورشیدی می تواند مونو کریستالی، مالتی کریستالی، پلی کریستالی یا آمورف باشد. تفاوت اصلی بین این مواد به درجه نظم ساختاری کریستال نیمه هادی آن است و بنابراین مواد نیمه هادی ممکن است بر اساس اندازه کریستال های سازنده مواد طبقه بندی شوند.