سلول های خورشیدی

1

نام استاد : جناب آقای دکتر محمدنژاد

سلول های خورشیدی

رش�د مص�رف جه�انی ان�رژی در ق�رن اخ�یر و هم�راه ب�ا آن اف�زایش انتش�ار از پیش محی�ط زیس�ت و خس�ارات آل�ودگی بیش ب�ا گازه�ای گلخ�انه ای، ج�بران ناپ�ذیر ب�رای من�ابع حی�اتی هم�راه ب�وده اس�ت. ب�ه منظ�ور ک�اهش اتک�ا جه�انی ب�ه من�ابع ط�بیعی پای�ان پ�ذیر و س�وخت های مخ�رب محی�ط زیس�ت، تالش ه�ای علمی ف�راوانی ب�رای ک�اهش هزینه ه�ای تولی�د ان�رژی از من�ابع ان�رژی تولی�د ب�رای تالش جمل�ه، از اس�ت. گرفت�ه پ�ذیر ص�ورت تجدی�د الک�تریکی ب�ا اس�تفاده از ن�ور خورش�ید، ک�ه ب�ا اس�تفاده از خاص�یت ذاتی نیم�ه رس�اناها انج�ام ش�ده اس�ت. نخس�تین س�لول های خورش�یدی ب�ر پای�ه

می رس�ید در س�ال های 10نیم�ه رس�اناها، ک�ه ب�ازده آن ه�ا ب�ه بیش از %اکن�ون 1960-1950% قطع�ات فوتوولت�ایی 85-90 س�اخته ش�دند. هم

ن�ازک بل�وری س�یلیکون پای�ه قرص ه�ای ب�ر خورش�یدی در سراس�ر جه�ان نیم�ه رس�اناها تح�ول عظیمی در از ام�روزه اس�تفاده س�اخته می ش�وند.

صنایع اپتیکی و الکترونیکی بوجود آورده است.

2

سلول های خورشیدی

بسیاری از نیمه رساناها می توانند الکتریسیته را از نور خورشید تولید کنند. سلول های فوتوولتایی، که اغلب سلول های خورشیدی نامیده می شوند، از جمله قطعات حالت

جامد هستند که بر اساس تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته، کار می کنند. از مزایای این روش تبدیل انرژی این است که، مواد غیر دوستدار محیط زیست تولید

نمی کند و منبع نامحدودی از انرژی در اختیار ما قرار می دهد. متداول ترین و بهترین سلول های خورشیدی توسعه یافته، از سیلیکون ساخته می شوند. از آنجا که سیلیکون

پوسته زمین را تشکیل می دهد، به نظر می رسد سلول های خورشیدی %27.7سیلیکونی به طور بالقوه ارزان باشند، اما تبدیل سیلیکون به سلول خورشیدی،

فرآیندی پرهزینه است.

3

طیف خورشید و فوتون هاسؤال این است که نور خورشید چگونه توصیف می شود؟ مشاهده رنگ های طیف نشان می دهد که نور خورشید می تواند به رنگ های مختلفی تقسیم شود. همچنین، استفاده از خطوط موازی بسیار نزدیک، به عنوان توری پراش، نشان می دهد که

رنگ ها می توانند با فاصله خطوط مرتبط باشند. بدین معنی که طول موجی مربوط به هر رنگ وجود دارد. از این رو نور یک موج الکترومغناطیسی است و می توان یک طول

موج به آن نسبت داد. از سوی دیگر، با مشاهده پدیده هایی چون اثر فوتوالکتریک انشتین توضیح داد که نور به صورت بسته های کوچک انرژی حرکت می کند، که مانند

( طیف خورشیدی نشان داده 1ذره رفتار می کنند و فوتون نامیده می شوند. در شکل)شده است.

4 ناحیه خاکستری انرژی فوتونی قابل استفاده برای سلول - طیف خورشید، 1شکل

خورشیدی سیلیکونی است

سلول خورشیدی

در یک سلول خورشیدی، نیروی الکتریکی در نتیجه جذب فوتون، تولید جفت های الکترون- حفره و عبور آن ها از یک ولتاژ، بوجود می آید.

نیمه رساناها به طور ذاتی، یک انرژی جذب آستانه دارند که با آن ولتاژی که الکترون در نیمه رسانا می بیند، تعیین می شود. انرژی های فوتونی و

جذب آستانه با واحد الکترون ولت داده می شود. برای مثال انرژی آستانه میکرون می باشد. 1.1 است که مساوی با 1.1eVجذب برای سیلیکون  

  جذب نمی شوند و انرژی خورشید با 1.1eVفوتون هایی با انرژی کمتر از  میکرون تلف می شود.1.1طول موج بزرگ تر از

5

گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمه رساناها

، می تواند یک Eg=hνدر نیمه رساناهای مستقیم، یک فوتون با انرژی الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته کند)عبور مستقیم(. اما در نیمه رساناهای غیرمستقیم، این نوع عبور، امکان پذیر نمی باشد. به

دلیل آن که فوتون ها اندازه حرکت بسیار کوچکی دارند، در حالی که الکترون باید دستخوش تغییر بزرگی در اندازه حرکت شود. در این موارد،

عبور الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، می تواند با اتالف یک فونون شبکه )انرژی گرمایی( رخ دهد، در این صورت اندازه حرکت مورد نیاز،

تأمین می شود)عبور غیرمستقیم؛ به دلیل برهم کنش بین اتم ها، یک جامد مدهای ارتعاشی دارد. کوانتوم انرژی ارتعاشی، فونون نامیده می شود، در برهم کنش فونون- الکترون انرژی و اندازه حرکت پایسته می مانند(. البته

عبورهای مستقیم نیز امکان پذیر هستند، اما یک انرژی فوتونی مینیمم برای برانگیخته کردن الکترون مورد نیاز است که بزرگتر از گاف انرژی

باشد.

6

 : اثر فوتوولتایی 

برمی گردد، اما توسعه و کاربردی 1839کشف اثر فوتوولتایی به سال شدن آن به کندی صورت گرفته است. با پیشرفت مکانیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم، توضیح پدیده های مربوط به تبدیل نور به الکتریسیته،

n-pمیسر گردید و اهمیت مواد نیمه رسانای تک بلور کشف و رفتار پیوند چاپین و همکارانش در آزمایشگاه بل یک 1954توضیح داده شد. در سال

( اختراع کردند .در اواخر دهه 6سلول خورشیدی سیلیکونی)با بازده %، سلول های خورشیدی برای تأمین نیروی الکتریکی سیستم های 1950

ماهواره ای استفاده شدند، زیرا این قطعات برای یک دوره طوالنی نیاز به حفاظت و نگهداری نداشتند و بدون افت زیاد در بازده تبدیل، بسیار مفید

دانشمندان دریافتند که استفاده از اثر فوتوولتایی، 1970بودند. در دهه می تواند پیشنهاد مناسبی در جهت تولید انرژی از منابع غیر فسیلی باشد.

7

 : اثر فوتوولتایی 

تحت تابش نور خورشید قرار می گیرد، جفت های n-pهنگامی که پیوند الکترون- حفره، تولید می شوند، که تعدادشان وابسته به شدت نور است. به دلیل میدان الکتریکی موجود در ناحیه سدی، سوق الکترون ها به سمت

، صورت می گیرد. هنگامی که یک سیم p و حفره ها به ناحیه nناحیه خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی

بوجود می آورد.p به سمت nاز

8

(Recombinationبازترکیب )

9

هنگامی که نیمه رسانا در معرض منبع نور قرار می گیرد با تولید جفت الکترون-حفره، خاصیت رسانایی آن افزایش می یابد. این پدیده اثر فوتورسانایی

Photoconductive Effect نامیده می شود. حامل های بار اضافی تولید شده در نیمه رسانا، پس از خاموش شدن منبع نور، نابود می شوند. این فرآیند

بازترکیب نامیده می شود. در جامدات حجیم، پدیده بازترکیب به صورت بازترکیب مستقیم، غیرمستقیم )از طریق ترازهای انرژی جایگزیده در گاف } در انرژی ممنوع( و بازترکیب اوژه انجام می شود. بازترکیب مستقیم معموالنیمه رسانای مستقیم غالب است. در یک نیمه رسانای مستقیم، هنگامی که

یک الکترون از نوار رسانش سقوط می کند تا یک جای خالی در نوار ظرفیت را پر کند، انرژی به صورت یک فوتون نوری باز پس داده می شود. در حالی که

در مورد نیمه رسانای غیرمستقیم، این نوع عبور، عالوه بر تغییر در انرژی، شامل تغییری در اندازه حرکت می باشد و اختالف انرژی، به جای یک فوتون } به صورت گرما به شبکه بلوری داده می شود. بنابراین قطعات نوری، معموال

} از نیمه رساناهای مستقیم ساخته می شوند . همچنین، گسیل نوری عمومابازترکیب اوژه هنگامی رخ می دهد که یک الکترون انرژی اضافی خود را به

الکترونی دیگر در نوار رسانش یا ظرفیت می دهد که منجر به برانگیخته شدن الکترون به سطح باالتری از انرژی می شود. فرآیند اوژه هنگامی که تراکم

حامل زیاد باشد، اهمیت پیدا می کند؛ بویژه در نیمه رساناهایی با گاف نواری کوچک .

فرآیندهای جذب اپتیکی

10

در این بخش برهم کنش های فوتون با یک جامد را بررسی می کنیم. فرض کنید یک نیمه رسانا در معرض نور خورشید واقع شود، هنگامی که انرژی فوتون

کوچکتر از گاف نواری نیمه رسانا باشد، نور از ماده عبور خواهد کرد و نیمه رسانا برای نور شفاف خواهد بود. البته در چنین شرایطی بازتاب نیز امکان پذیر است. هنگامی که انرژی فوتون، بزرگتر از گاف نواری باشد، فوتون برخوردی به صورت های گوناگون جذب خواهد شد. احتمال جذب

فوتونی با انرژی ، با ضریب جذب تعیین می شود) خاصیت ماده و مستقل از ( نموداری از فرآیندهای مختلف جذب تابش 2هندسه جسم است( در شکل)

الکترومغناطیس در جامدات و محدوده اثر آن ها بر حسب ضریب جذب ماده و فرکانس نور نشان داده شده است.

- نمودار 2شکلشماتیک از گستره

فرآیندهای جذب اپتیکی در جامدات

فرآیندهای جذب اپتیکی

11

در شکل intraband transitionsنموداری از این گذارهای درون نواری3(a,)3)b( نشان داده شده است. این نوع گذار در فلزات و نیمه رساناهایی که

تراکم حامل ها در یک نوار، قابل مالحظه باشد از اهمیت برخوردار است. ( مربوط به جذب فونونی است؛ بدین معنی که نور با 2 در شکل)2فرآیند

برانگیختن مدهای فونونی در ماده جذب می شود. الکترون ها در این فرآیند درگیر نمی شوند. به دلیل انرژی های کمی که فونون ها دارند، این فرآیند جذب

همه انواع گذار ناشی از 3در محدوده فروسرخ طیف نور رخ می دهد. فرآیندجذب فوتون، بین ترازهای موجود در گاف نواری و همچنین بین ترازهای موجود

ترازهای انرژی در گاف )3)d(,e)3در گاف و یک نوار را شامل می شود .شکل نواری نیمه رسانا می تواند به دلیل وجود ناخالصی ها در نیمه رسانا بوجود آید. به

این ترازهای انرژی الکترونی، حالت های جایگزیده ناشی از اتم های دهنده یا مربوط به جذب فوتون همراه با تولید اکسایتون ها 4پذیرنده می گویند. فرآیند

است. جذب در مواد ارگانیک، از قبیل exciton)جفت های الکترون- حفره مقید ( dye-sensitizedمولکول های کوچک رنگ ها در سلول های خورشیدی رنگدانه ای

solar cells یک { و جاذب های پلیمری در سلول های خورشیدی ارگانیک، عمومافرآیند اکسایتونی است. همچنین در نانوذرات، اکسایتون ها نقش کلیدی در

جذب دارند.

فرآیندهای جذب اپتیکی

- نمودار گذار الکترون بین حالت های تک الکترونی در نتیجه جذب نور3شکل12

فرآیندهای جذب اپتیکی

13

band-to-band( مربوط به گذار بین دو نوار 2 در شکل)5فرآیند transitionsاست، که در شکل) )c)3 در 6( نشان داده شده است. فرآیند

} ناشی از amorphousبرخی از جامدات آمورف ( (مشاهده می شود و احتماالالکترون هایی است که از یک مکان جایگزیده به حالت جایگزیده دیگری

مورد توجه ما هستند، زیرا این مکانیسم ها 5 و 4، 3می روند. فرآیندهای می توانند منجر به تولید الکترون ها و حفره های آزاد شوند. همچنین، ضریب

جذب نقش مهمی در عملکرد سلول خورشیدی دارد.خواص موجی نور نیز در بحث سلول های خورشیدی جالب توجه است. تابشی

با طول موج ممکن است در عبور از فصل مشترک ها در یک سلول، متحمل بازتاب یا تداخل شود. همچنین در ساختارهای کوچک پراکندگی نیز می تواند رخ دهد. به عنوان مثال ساختارهایی در مقیاس نانومتر پدیده بازتاب را به صورت قابل توجهی نشان می دهند و با افزایش ابعاد تا اندازه میکرومتر،

بازتاب از سلول کاهش یافته و گیراندازی نور به طور مؤثرتری صورت می گیرد.

انواع سلول های خورشیدی

14

. سلول های خورشيدی مبتنی بر سيليکون کريستالی1

است. c-Siرايج ترين ماده توده برای سلول خورشيدی، سيليکون کريستالی ماده توده سيليکون با توجه به نوع کريستال و اندازه کريستال به چندين

بخش تقسيم می شود. c-Si• سيليکون تک کريستالی

mc-Si يا چند کريستالی poly-Si• سيليکون پلی کريستالی

انواع سلول های خورشیدی

15

. سلول های خورشيدی مبتنی بر سيليکون اليه نازک غير 2کريستالی )آمورف(

-a )هزينه پايين يکی از مزايای سلول های خورشيدی برپايه سيليکون آمورفSi می باشد. دو جزء اصلی آلياژ )a-Si سيليکون و هيدروژن است. عالوه ،

داشتن ضريب جذب باالست. تنها يک اليه نازک a-Siبراين، مشخصه يک آلياژ برای جذب نور نياز است و اين باعث کاهش هزينه مواد می شود.

انواع سلول های خورشیدی

16

GaAs سلول های خورشيدی اليه نازک .3اولين الزمه موادی که بايد در يک قطعه مبدل انرژی فتوولتائيک خورشيدی به

کار برود، تطبيق گاف انرژی با طيف خورشيدی و نيز داشتن قابليت تحرک باال و طول عمر حامل های زياد می باشند. اين شرايط توسط بسياری از

علی رغم هزينه III – V برآورده می شوند. مواد گروه Si و II-VI ، III-Vترکيبات های باالی ساخت اين نيمه هادی ها، با موفقيت زياد در کاربردهای فضايی که

در آنها هزينه، فاکتور مهمی نيست مورد استفاده قرار گرفته اند. در سال ، دانشمندان با در نظر گرفتن يک سلول خورشيدی پيوندی به شکل يک 1961

کلوين نشان دادند که بيشترين بازدهی يک سلول 300جسم سياه با دمای % است که برای 30خورشيدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن،

بدست می آيد. با توجه به اينکه انرژی 1.39eVسلولی با گاف انرژی ماده برابر است می تواند ماده مناسبی برای 1.424eVشکاف گاليم آرسنايد برابر

طراحی سلول های خورشيدی باشد.سلول های خورشيدی ساخته شده برپايه به عنوان نسل دوم سلول های خورشيدی نامگذاری می GaAsاليه نازک

شوند.

انواع سلول های خورشیدی

17

. سلول های خورشيدی مبتنی بر مواد آلی4سلولهای خورشيدی ساخته شده از مواد آلی در مقايسه با همتايان ديگر خود

بازده بسيار کمتری دارند. اما به دليل هزينه ساخت پايين و همچنين قابليت هايی مانند انعطاف پذيری برای مصارف غيرصنعتی مناسب هستند. انواعی از

سلول های خورشيدی مبتنی بر مواد آلی شامل سلول های خورشيدی حساس به رنگ، سلول های خورشيدی پليمری و سلول های خورشيدی مبتنی

بر کريستال های مايع هستند.

انواع سلول های خورشیدی

18

. سلول های خورشيدی مبتنی بر مواد آلی4DSSC• سلول های خورشيدی حساس به رنگ

شفاف )با شکاف n وارد کردن بهينه يک نيمه هادی نوع DSSCساختار پايه يک انرژی پهن( در يک شبکه ای از ستون ها در ابعاد نانو در تماس با نانوذره ها يا

سطح شبکه بزرگ طراحی می شود و برآمدگی های مرجانی شکل است.هرقسمت آن با يک تک اليه ای از يک

رنگ يا پوششی از نقاط کوانتومی، که به عنوان رنگ عمل می کنند، پوشانده

می شود. سپس يک الکتروليت برای نفوذ ساختار شبکه پوشش داده شده

حاصل، مورد استفاده قرار می گيرد تا يک کانال يا مجرايی بين رنگ و آند

ايجاد کند. رنگ نور را جذب می کند و توليد اکسيتون  می کند ، که در سطح مشترک رنگ – نيمه هادی تفکيک می

شود و منجر به ايجاد الکترون ها توسط فوتون برای نيمه هادی و

مولکول های رنگ اکسيد شده به وسيله الکتروليت )که بايد کاهش يابند

و دوباره توليد شوند( می شود. 

انواع سلول های خورشیدی

19

• سلول های خورشيدی پليمریسلول های خورشيدی پليمری دارای ويژگی های خاصی هستند. چون مواد اکتيو استفاده شده برای ساخت قطعات قابل حل شدن در حالل های آلی بسياری هستند، بنابراين سلول های خورشيدی پليمری دارای پتانسيل الزم

برای انعطاف پذيری و قابليت ساخت در يک فرايند چاپ پيوسته همانند چاپ روزنامه را دارند.

قابليت ساخت سلول های خورشيدی پليمری به صورت يک Nat. Photonics, vol. 2, p. 287–289, 2008فرايند ساخت پيوسته

% 6اخيرا بازده تبديل توان حدود گزارش شده است ولی اين

مقدار با مقادير الزم برای کاربردهای معمول فاصله دارد. 

انواع سلول های خورشیدی

20

• سلول های خورشيدی مبتنی بر کريستال های مايعدر نمونه ای از سلول های خورشيدی از اين نوع از کريستال های مايع ستونی برای ساخت سلول استفاده می شود. گروهی از کريستال های مايع می توانند

به حالت ستونی وجود داشته باشند. حالت ستونی حالتی است که مولکول های تشکيل دهنده کريستال های مايع که می توان آنها را به ديسکی

تشبيه کرد روی هم قرار گرفته و ستون هايی را تشکيل می دهند. در ابتدا اين گروه از کريستال های مايع، کريستال های مايع ديسکی ناميده می شدند. زيرا

هر ستون از روی هم چيده شدن صفحات ديسک مانند مولکول ها روی هم درست می شود. تحقيقات اخير نشان داده است که بعضی از کريستال های

مايع ستونی از واحدهای غير ديسکی ساخته می شوند در نتيجه بهتر است به اين گروه از مواد کريستال های مايع ستونی گفته شود.

انواع سلول های خورشیدی

21

. سلول های خورشيدی مبتنی بر نقاط کوانتومی5

يک فاکتور محدود کننده برای بازده تبديل انرژی در سلول های خورشيدی با يک شکاف انرژی اين است که انرژی فوتون جذب شده باالی شکاف انرژی

نيمه هادی در اثر اندرکنش الکترون – فونون به صورت گرما تلف می شود تا ، می تواند یک Eg=hνیک فوتون با انرژی حامل ها به لبه شکاف باند انرژی رسيده و به اصطالح به آرامش  برسند.

الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته کند)عبور مستقیم(. اما در

نیمه رساناهای غیرمستقیم، این نوع عبور، امکان پذیر نمی باشد. به دلیل آن که فوتون ها

اندازه حرکت بسیار کوچکی دارند، در حالی که الکترون باید دستخوش تغییر بزرگی

در اندازه حرکت شود. در این موارد، عبور الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، می تواند با اتالف یک فونون شبکه )انرژی

گرمایی( رخ دهد، در این صورت اندازه حرکت مورد نیاز، تأمین می شود)عبور

غیرمستقیم؛ به دلیل برهم کنش بین اتم ها، یک جامد مدهای ارتعاشی دارد. کوانتوم انرژی ارتعاشی، فونون نامیده می شود.

سلول خورشيدی مبتنی بر نقاط کوانتومیIEEE Transactions on electron devices, vol. 49, pp. 1632-1639, 2002

نسل های گوناگون سلول های خورشیدی

22

معایبمزایا

نسل های گوناگون سلول های خورشیدی

23

معایبمزایا

با سپاس24