سلول خورشیدی چگونه کار می کند؟

شاید ماشین حساب هایی را که سلول های خورشیدی دارند، دیده باشید. این ماشین حساب ها هرگز به باتری نیاز ندارند و برخی از آنها حتی دکمه خاموش هم ندارند و وقتی نور به اندازه کافی وجود داشته باشد، به نظر می رسد که تا ابد کار می کنند. ممکن است صفحه های خورشیدی بزرگتر را نیز روی تابلوهای خطر جاده ها، چراغ های روشنایی خیابان ها و حتی در محوطه پارکینگ ها دیده باشید. این صفحات خورشیدی حتی روی ماهواره ها نصب شده اند تا انرژی الکتریکی مورد نیاز آنها را فراهم سازند.

احتمالاً، شما نیز ممکن است مطالبی در مورد انقلاب خورشیدی شنیده باشید. این عقیده که روزی برق کاملاً رایگان را از خورشید می گیریم، چندان دور از ذهن نیست. چنین حرفی ممکن است اغوا کننده باشد، ولی روزی محقق خواهد شد. شما با نصب چند متر صفحه خورشیدی در بام خانه تان، می توانید در روزهای آفتابی کل انرژی مورد نیازتان را برای گرم کردن آبگرمکن، اجاق منزل و سیستم های تلویزیونی خود مهیا کنید.

در این مقاله شما می توانید با نحوه تبدیل انرژی خورشیدی به برق آشنا شوید. در این فرآیند متوجه می شویم که چرا در پی جمع آوری انرژی خورشید برای کاربرد روزانه هستیم و چرا پیش از رسیدن به مرحله ارزش موثر برای عملی شدن آن، همچنان تحقیقات بیشتری نیاز است تا انجام دهیم.

سلول های فوتوولتائیک: تبدیل فوتون به الکترون

سلول های خورشیدی که روی ماشین حساب ها و ماهواره ها می بینید، سلول های فوتوولتائیک (Photovoltaics) هستند. این سلول ها در واقع گروهی از سلول های الکتریکی متصل به هم هستند و طبق قاعده ای خاص به هم متصل می شوند. فوتوولتاها درست مانند پیغامی ضمنی هستند (فوتو = نور؛ ولتا = الکتریسیته). در این سلول ها نور خورشید مستقیماً به برق تبدیل می شود. تا چند سال پیش، این سلول ها فقط در فضا مورد استفاده قرار می گرفتند، اما امروزه بیشتر و بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. آیا می دانید این قطعات چگونه کار می کنند؟

سلول های فوتوولتائیک از مواد مخصوصی به نام نیمه رسانا مانند سیلیکون ساخته می شوند. اساساً وقتی نور به این سلول برخورد کند، بخش معینی از آن جذب ماده نیمه رسانا می شود؛ این حرف یعنی انرژی نور جذب شده به نیمه رسانا منتقل می شود. این انرژی به الکترون های سست سیلیکون ضربه می زند و به آنها اجازه حرکت مستقل را می دهد. سلول های فوتوولتائیک همگی یک یا چند میدان الکتریکی دارند که برای اعمال نیرو به الکترون های آزاد بوسیله جذب نور برای جاری شدن در یک جهت معین در کنش هستند. این نوع حرکت الکترون ها در اصل یک جریان الکتریکی است. ما با نصب دو الکترود در بالا و پایین این سلول می توانیم جریان الکترون ها را توسط سیم بوسیله مورد نیاز مثلاً ماشین حساب برسانیم. این مرحله اصلی کار است، ولی در واقع مراحل بیشتری وجود دارند. بیایید نگاهی عمیق تر به نمونه ای از سلول فوتوولتائیک داشته باشیم.

سیلیکون چگونه سلول خورشیدی را می سازد؟

سیلیکون (Silicon) خواص شیمیایی ویژه ای بخصوص در ساختار بلوری خود دارد. یک اتم سیلیکون، 14 الکترون دارد که در سه پوسته مختلف روی هم قرار گرفته اند. دو لایه اول نزدیک تر به مرکز، کاملاً پُر شده اند، ولی لایه بیرونی با داشتن 4 الکترون در حالت نیمه پُر است. اتم سیلیکون با این ویژگی، همیشه در جستجوی راهی برای پُر کردن لایه آخر خود است تا 8 الکترون را کامل بگیرد. برای انجام این کار، این الکترون ها را با 4 تا از اتم های سیلیکون همسایه اش شریک می کند. این قالب، ساختار بلوری است و ایجاد این ساختار برای این نوع سلول فوتوولتائیک اهمیت دارد.

سیلیکون خالص، رسانای ضعیف الکتریکی است، زیرا هیچ یک از الکترون های آن مثل الکترون ها در رساناهای خوبی چون مس به اطراف حرکت نمی کنند و الکترون ها در ساختار بلوری آن به حرکت قفل شده ای قرار دارند. سیلیکون های بکار رفته در سلول خورشیدی ناخالصی هایی به همراه دارند. معمولاً تصور می کنیم که ناخالصی ها چیزهای نامطلوبی هستند، ولی در اینجا سلول بدون وجود ناخالصی به کار نمی افتد! این ناخالصی ها به منظور خاصی افزوده می شوند.

سیلیکون را با یک اتم فسفر در دو طرف آن در نظر بگیرید. فسفر در لایه خارجی اش 5 الکترون دارد و به همین دلیل همیشه با اتم های سیلیکون مجاورش پیوند می خورد. به مفهوم دیگر اتم فسفر، الکترونی دارد که از هیچ طرف به چیزی متصل نیست. وقتی ما مقداری انرژی (مثلاً گرما) به سیلیکون خالص اضافه کنیم، می توانیم پیوند تعدادی از پیوندها را بشکنیم و الکترون را مجبور به ترک اتم ها کنیم. این الکترون ها، بطور اتفاقی پیرامون شبکه بلوری پراکنده می شوند و حفره ای (اتم دارای کمبود الکترون) را جستجو می کنند که درون آن سقوط کنند. این الکترون ها اصطلاحاً حامل های آزاد نامیده می شوند و می توانند جریان الکتریکی را جابجا کنند.

سیلیکون ناخالص که با اتم های فسفر ترکیب شده است، داستانی متفاوت دارد. انرژی بسیار کمتری برای ضربه زدن به یکی از الکترون های سست و اضافی فسفر صرف می شود؛ زیرا آنها اسیر پیوند با همسایگان شان نشده اند و به همین خاطر بیشتر الکترون های آنها آزاد می شوند و ما نسبت به سیلیکون خالص حامل های آزاد بسیار بیشتری خواهیم داشت.

سیلیکون بدست آمده به دلیل پخش الکترون های آزاد نوع N (از Negative) نامیده می شود. سیلیکون آلاییده نوع N، رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیکون خالص است. در واقع فقط بخشی از سلول خورشیدی از نوع N است و سایر قسمت ها با عنصر بور آلاییده می شوند که به جای 4 الکترون، فقط 3 الکترون در لایه بیرونی خود دارند و به این ترتیب سیلیکون نوع P (از Positive) بدست خواهد آمد.

سیلیکون نوع P به جای داشتن الکترون های آزاد، حفره آزاد دارد. حفره ها در واقع فقط فقدان الکترون ها هستند. پس آنها، بار قرینه مثبت حمل می کنند و فقط در اطراف الکترون هایی با عملکرد مشابه حرکت می کنند. قسمت جالب وقتی آغاز می شود که سیلیکون نوع N را با سیلیکون نوع P بکار ببرید. در این حالت، الکترون های آزاد سمت N که در جستجوی حفره ای برای سقوط هستند، ناگهان حفره های آزاد سمت P را دیده و در یک یورش ناگهانی آنها را پُر می کنند.

وقتی حفره ها و الکترون ها در پیوندگاه بین سیلیکون نوع N و P ترکیب می شوند، حالت خنثی آنها از بین می رود و الکترون های آزاد شروع به پُر کردن حفره ها می کنند. حال این سوال مطرح می شود که آیا الکترون های آزاد همه حفره ها را پُر می کنند؟ جواب منفی است. چرا که با آغاز حرکت الکترون ها به سمت حفره ها، در مدت کوتاهی ناحیه تخلیه (سد) در پیوندگاه به وجود می آید.

پدیده فتوالکتریک

پدیده فتوالکتریک به شکل ساده بیان می کند که هرگاه فوتون های نور خورشید به اتمی با الکترون غیر وابسته به پیوند اتمی برخورد کنند، در اثر انرژی فوتون، الکترون به آسانی از اتم جدا خواهد شد. از اثر این پدیده جالب در ساخت صفحات خورشیدی استفاده می شود.

هنگامی که نور در قالب فوتون، به سطح سیلیکون های نوع N برخورد کند، می تواند الکترون غیر وابسته اتم فسفر را از آن جدا کند. این رویداد در ناحیه P با ایجاد حفره اضافی همراه است. اگر ما یک مسیر جریان به وجود آوریم، بطوریکه الکترون ها مسیری برای پیوستن به حفره های لایه زیرین پیدا کنند، به این ترتیب می توانیم الکترون ها را به جریان بیندازیم.

صفحات خورشیدی به شکل ردیفی از صفحات سیلیکونی به هم متصل هستند. این صفحات در نهایت از طریق سیم به منبع مورد استفاده (مثلاً لامپ) وصل شده اند. در این حالت، الکترون های ناحیه N به دلیل اختلاف ولتاژ با ناحیه P و به دلیل یک طرفه بودن راه (مانند اتفاقی که در یک دیود می افتد) مجبور هستند از مسیر دیگر (سیم) به حفره های ناحیه زیرین دسترسی پیدا کنند. حرکت الکترون ها از داخل سیم باعث جریان یافتن الکترون ها یا همان تولید الکتریسیته می شود.

البته همه فوتون هایی که به سطح صفحات خورشیدی تابیده می شوند، نمی توانند توسط سلول بکار روند. به همین علت، یک اندود ضد انعکاس در بالای صفحات نصب می کنند تا اتلاف بازتاب را کمتر کنند. در بالای این لایه نیز صفحه روکش شیشه ای قرار داده شده است تا صفحات را از حوادث بیرونی مانند باد و باران محافظت کند. صفحات فوتوولتائیک با اتصال چندین سلول (معمولاً 36 عدد) به صورت سری و موازی برای دستیابی به ترازهای مفید ولتاژ جریان ساخته می شوند و با بکار بردن آنها در یک قالب تنومند با یک پوشش شیشه ای و پایانه های مثبت و منفی پشت آن کامل می شود.

بازدهی سلول های خورشیدی

سلول فتوالکتریک چه مقدار از انرژی تابشی خورشید را جذب می کند؟ متاسفانه بیشترین چیزی که سلول ساده ما می تواند جذب کند، حدود 25 درصد است. حال چرا اینقدر کم؟ نور مرئی فقط بخشی از طیف الکترومغناطیس است. نور می تواند به طول موج های متفاوتی تفکیک شود. ما می توانیم آنها را به شکل یک رنگین کمان ببینیم. زمانی که نور به سلول ما برخورد کند، فوتون هایی با گستره وسیعی از انرژی را دریافت می کند. مسلم است که بخشی از آنها انرژی کافی برای تولید الکترون و حفره ندارند و به سادگی از سراسر سلول عبور می کنند. البته ما اتلاف های دیگری نیز داریم. الکترون ها مجبور هستند از یک طرف سلول به سایر بخش های مدار خارجی حرکت کنند. می توانیم پایین را با فلز بپوشانیم تا امکان رسانش خوب فراهم شود؛ ولی اگر بخش بالا را هم کاملاً بپوشانیم، فوتون ها دیگر نمی توانند از این رسانای کدر عبور کنند و همه جریان تلف می شود. به یاد داشته باشید که سیلیکون نیز یک نیمه رسانا است و نمی تواند به خوبی یک فلز، جریان را انتقال دهد. مقاومت درونی آن بالا است و مقاومت زیاد نیز به معنای اتلاف زیاد است.

نیروگاه خورشیدی یک خانه

چه کاری باید انجام دهید تا خانه تان با انرژی خورشیدی روشن شود؟ هر چند این روند به آسانی نصب فقط یک اتاقک روی سقف خانه تان نیست، ولی انجام آن خیلی دشوار نیست.

قبل از همه، هر سقفی جهت یا زاویه انحراف خاصی دارد. برای استفاده از صفحات خورشیدی با بازدهی بالا باید صفحات را در جهت جنوب (رو به خورشید) قرار دهید تا حداکثر انرژی در طول سال را داشته باشد. اگر شما حداکثر تولید انرژی را در صبح و بعد از ظهر و همچنین تابستان و زمستان خواستار هستید، باید مراقب باشید صفحات را جایی نصب کنید که سایه درختان یا ساختمان های مجاور روی آن نیفتد. در صفحات خورشیدی حتی اگر فقط یکی از 36 صفحه در سایه قرار داشته باشد، تولید نیروی برق به بیشتر از نصف مقدار عادی کاهش خواهد یافت!

اگر شما خانه ای با سقف بدون سایه و رو به جنوب دارید، در مورد اندازه سیستم مورد نیاز خود می توانید تصمیم بگیرید. با وجود این واقعیت که برق تولیدی به آب و هوا بستگی دارد (که هرگز کاملاً قابل پیش بینی نیست) و اینکه میزان برق درخواستی شما نیز متغیر است، موضوع پیچیده می شود.

با آشکار شدن این موانع غلبه بر آنها نسبتاً آسان است. اطلاعات هواشناسی، متوسط سطح تابش آفتاب را به صورت ماهانه برای نواحی مختلف جغرافیایی ارائه می دهد. در گزارش روزهای ابری و بارندگی، ارتفاع بارش، رطوبت هوا و سایر عوامل دقیق تر بدست می آید. شما باید برای گذراندن بدترین ماه برنامه ریزی کنید تا همیشه برق مورد نیاز و کافی خود را در تمام طول سال داشته باشید.

با داشتن این اطلاعات و دانستن مقدار مصرف خانگی (که روی قبض برق شما نوشته شده و به آسانی امکان می دهد که بدانید در طول ماه چه مقدار انرژی نیاز دارید)، می توانید تصمیم بگیرید چه تعداد صفحات خورشیدی مورد نیاز است. حال ممکن است دو مشکل را حدس بزنید؛ اول اینکه وقتی خورشید نتابد، ما چه خواهیم کرد؟

مطمئناً فقط داشتن برق در طول روز یا در روزهای صاف قابل پذیرش نیست. ما برای ذخیره سازی انرژی به باتری ها نیاز داریم، اما متاسفانه تهیه و نگهداری باتری ها هزینه زیادی را ایجاب می کند.

یک روش برای حل این موضوع، اتصال خانه تان به شبکه برق سراسری می باشد، یعنی خرید برق زمانی که به آن نیازمندید و فروش به آنها زمانی که تولید شما بیش از نیازتان است. در این شیوه، در حقیقت برق سراسری همچون یک سیستم ذخیره سازی نامحدود عمل می کند. البته اداره برق مجبور است موافقت کند، و در بسیاری از موارد برق را با قیمتی بسیار کمتر از بهایی که خودشان می فروشند، از شما خریداری می کنند. همچنین شما به تجهیزات ویژه ای نیازمندید تا اطمینان یابید که برق سراسری که می فروشید، سازگار با دستگاه های آنها است (اینکه بسامد و شکل موج سینوسی یکسانی دارند).

اگر تصمیم دارید از باتری ها استفاده کنید، در ذهن داشته باشید که آنها نیاز به نگهداری دارند و بعد از گذشت چند سال باید تعویض شوند. اتاقک های فوتوولتائیک باید دوامی 20 ساله یا بیشتر داشته باشند، ولی لزومی ندارد باتری ها نیز همین مقدار عمر مفید داشته باشند. به خاطر انرژی ذخیره شده و الکترولیت های اسیدی که باتری ها حاوی آنها هستند، می توانند خیلی خطرناک باشند. پس شما به تهویه مناسب و دیوار غیر فلزی برای نگهداری آنها نیاز دارید.

علاوه بر ذخیره انرژی، مشکل دیگر این است که اگر برق تولیدی توسط اتاقک های فتوولتائیک و خروجی باتری ها را برای استفاده انتخاب کنید، منزل شما برای استفاده از ابزار الکتریکی بکار نمی آید. برق تولیدی توسط سیستم خورشیدی جریان مستقیم می باشد، در صورتی که برق درخواستی شما باید از نوع برق شهری جریان متناوب باشد. پس شما به یک معکوس کننده که جریان مستقیم (DC) را به متناوب (AC) تبدیل می کند، نیاز خواهید داشت.

کامل ترین معکوس کننده ها، امکان کنترل خودکار چند عملکرد سیستم را به شما خواهند داد. برخی اتاقک های فتوولتائیک اتاقک های AC نامیده می شوند که در حقیقت یک ساختمان از پیش معکوس کننده در اتاقک ها هستند که فقط سیم کشی ساده تری دارند.

سخت افزار نصب شده، جعبه های اتصال، تجهیزات اساسی، محافظ جریان، کلید AC و DC و سایر لوازم فرعی را نیز بیفزاید و آنچه خودتان برای سیستم می خواهید اضافه کنید. کدهای الکتریکی نیز باید قرار داده شوند (قسمتی در رمز الکتریکی بین المللی که فقط برای سیستم فوتوولتا وجود دارد.)

سیستم فوتوولتا نیاز به نگهداری بسیار کمی دارد. به ویژه اگر از باتری استفاده نشود، مدت 20 سال یا بیشتر برق تمیز و رایگان را برای شما فراهم خواهد ساخت. حال سوال اساسی اینجا است که اگر فوتوولتاها چنین منبع عظیمی از انرژی هستند، پس چرا همه دنیا با نیروی برق آن اداره نمی شود؟

هزینه انرژی خورشیدی

برخی از مردم تصور اشتباهی در مورد انرژی خورشیدی دارند. این صحیح است که تابش خورشید رایگان است، اما تولید برق از طریق سیستم فوتوولتایی چندان هم کم هزینه و رایگان نیست. البته این سیستم فعلاً در مناطق دور دستی استفاده می شود که کابل کشی به آن مناطق هزینه های بیشتری می طلبد. در حال حاضر، سیستم فوتوولتائیک نمی تواند به آسانی با صنایع برق همگانی رقابت کند. البته باید خاطر نشان ساخت که با تحقیقات بیشتری که این سال ها انجام می گیرد، مهندسان برق امیدوار هستند که هزینه ها کاهش یابند. تحقیقات اطمینان می دهد که روزی برای ناحیه های شهرنشین دور دست، سیستم فوتوولتائیک هزینه معقولی داشته باشد. بخشی از مشکل این است که تولید آن نیازمند به عملی شدن در مقیاس بزرگ و کاهش تا حد امکان هزینه ها است. به هر حال تا زمانی که قیمت تا سطح قابل رقابتی کاهش یابد، تقاضای گسترده برای فوتوولتا وجود نخواهد داشت.

چنانچه پیشرفت تقاضا و تولید اتاقک ها، ثابت باشد، قیمت ها کاهش می یابد و یک فناوری با آینده ای روشن در پیش رو خواهد بود. به همین دلیل است که فعلاً از این روش در دستگاه های کوچک استفاده می شود. هر روز با تحقیقات بیشتر در زمینه انرژی خورشیدی به امکان استفاده بهینه و عام از آن نزدیک تر می شویم. با توجه به اینکه گرایش های زیست محیطی برای حفظ زمین بیشتر می شود، توجه به انرژی خورشیدی نیز بسیار بیشتر از گذشته شده است.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «سلول خورشیدی چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.