سلول خورشیدی - جلسه اول

 عنوان:
 سلول خورشیدی چگونه کار می کند؟

خلاصه پروژه: در ابن پروژه با سلول های خورشید و سلول های خورشیدی آلی آشنا میشوید.

اهداف جلسه
· آشنایی با سلول های خورشیدی

وسایل مورد نیاز
· دسترسی به اینترنت

مقدمه:
تعریف سلول خورشیدی
حتماً ماشین‌حساب‌های خورشیدی را دیده­اید که حتی دکمه خاموش ندارند. دستگاه ­هایی که نیاز مبرم به باتری ندارند و تا زمانی که نور به اندازه کافی وجود داشته باشد زنده خواهند ماند. این فناوری به سال‌های قبل برمی‌گردد اما امروزه نیز پنل­ های خورشیدی بزرگ‌تری را در جاده ­ها و کارخانه‌ها می‌بینید مثل چراغ­ های راهنمایی خورشیدی­، لامپ­ های روشنایی جاده ­ها و حتی آبگرم کن‌های خورشیدی.
                                                                                          اشعه ­های خورشید
سلول خورشیدی[Solar Cell] یا سلول فتوولتایی[Photovoltaic Cell] یا سلول فتوالکترونی[Photoelectric Cell] در واقع یک قطعه الکتریکی جامد است که انرژی نور خورشید را مستقیما توسط اثر فتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل می­ کند. سلول‌های خورشیدی ساخته‌شده از سیلیکون کاربرد بسیاری دارند. سلول‌های تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاه­ های کوچک‌تر مانند ماشین‌حساب الکترونیکی به کار می­روند. یکی از روش ­هایی که انسان طی سال اخیر از آن استفاده می­ کند باطری ­های خورشیدی است. خورشید در هر ثانیه ژول انرژی بر هر مترمربع از سطح زمین منتقل می­کند که با جمع­ آوری آن می­توان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تأمین کرد .
در مرکز خورشید هر ثانیه تن هیدروژن به انرژی تبدیل می­شود به صورت فوتون . دمای خورشید در مرکز آن میلیون و در سطح آن هزار درجه سانتی‌گراد است. انرژی تولیدشده در سطح خورشید بعد از دقیقه به سطح زمین می­رسد. نور خورشید که به زمین می­رسد شامل طول موج ­های ٪ فروسرخ، ٪ نور مریی و ٪ فرابنفش می­ باشد. از این رو سلول‌های خورشیدی باید در ناحیه فروسرخ و مریی جذب بالایی داشته باشند .

 ساختار باطری ­های خورشیدی
باطری­ های خورشیدی معمولاً از مواد نیمه­ رسانا به ویژه سیلیسیم تشکیل‌شده است. هر اتم سیلیسیم با اتم دیگر پیوند تشکیل می‌دهد و بدین صورت بلوری پدید می­ آید . در باطری­ های خورشیدی به سیلیسیم مقداری ناخالصی اضافه می­کنند - . اگر اتم ناخالصی ظرفیتی باشد آنگاه در ارتباط با اتم سیلیسیم یک لایه­ آن بدون پیوند باقی می­ماند یک تک الکترون در نتیجه بار نسبی منفی پیدا می­ کند که به آن سیلیسیم[Negative] N می­ گویند. در صورتی که اتم ناخالصی دارای ظرفیت باشد، آن گاه یک حفره اضافی ایجاد می­ شود که به آن سیلیسیم[Positive] P می­ گویند . هر باطری خورشیدی از لایه تشکیل‌شده که هر لایه را ماده خاصی تشکیل می‌دهد .
                                                                               سیلیکون نوع N و نوع P
عملکرد باطری ­های خورشیدی
با اتصال یک نیم رسانای نوع P به نیم رسانای نوع N الکترون‌ها از N به ناحیه P و حفره ­ها از ناحیه P به N منتقل می­شوند . با انتقال هر الکترون به ناحیه P یک یون مثبت در ناحیه N و با انتقال هر حفره به ناحیه N یک یون منفی در ناحیه P باقی می­ماند. یون­های مثبت و منفی میدان الکتریکی داخلی ایجاد می­کنند که جهت آن از ناحیه N به P است. این میدان با انتقال بیشتر بارها قوی و قوی­تر شده تا جایی که انتقال خالص به صفر می­رسد. در این شرایط تراز دو ناحیه باهم هم ­سطح می­شود. اگر در چنین شرایطی نور خورشید به پیوند بتابد، فوتون­ هایی که انرژی آن‌ها از انرژی شکاف نیم رساناها بیشتر است زوج الکترون-حفره تولید کرده و زوج­هایی که در نواحی تهی تولیدشده ­اند شانس زیادی دارند که قبل از باز ترکیب توسط میدان داخلی پیوند از هم جدا شوند. میدان الکتریکی، الکترون‌ها را به ناحیه N و حفره­ها را به ناحیه P سوق می‌دهد. به این ترتیب تراکم بار منفی در ناحیه N و بار مثبت در ناحیه P زیاد می­ شود. که این تراکم بار به اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو سر پیوند قابل اندازه­ گیری است .
اگر دو سر پیوند با یک سیم به یکدیگر اتصال کوتاه شود، الکترون‌های اضافی ناحیه N از طریق سیم به ناحیه P رفته و جریان اتصال کوتاهی را می­دهند. اگر به جای سیم نازک از یک مصرف‌کننده استفاده شود، عبور جریان از مصرف‌کننده به آن انرژی می‌دهد. به این ترتیب انرژی فوتون­ های نور خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل می­شود. هر چه میدان الکتریکی درون پیوند قوی­تر باشد اختلاف پتانسیل الکتریکی مدار بزرگ‌تری به دست می ­آید. برای دست یافتن به یک میدان الکتریکی بزرگ باید اختلاف ترازهای دو ماده N و P از یکدیگر زیاد باشد.
برای این منظور باید انرژی شکاف نیمه‌هادی‌ها بزرگ انتخاب شوند. بنابر­این اختلاف پتانسیل الکتریکی یک مدار سلول خورشیدی با انرژی شکاف آن افزایش می­ یابد. اما افزایش انرژی شکاف سبب می ­شود فوتون کمتری توانایی تولید زوج الکترون-حفره را داشته باشند و بنابر­این اتصال کوتاه کمتری تولید شود. بنابر­این افزایش انرژی شکاف روی اختلاف پتانسیل الکتریکی مدار و جریان اتصال کوتاه سلول دو اثر متفاوت دارد.

                                                                       نحوه تولید جریان الکتریکی در اتصال P-N
    
خلاصه ­ای کوتاه از سلول‌های خورشیدی در شکل نشان داده‌ شده است. تفصیل تاریخ ایجاد اولین ابزارهای فتوولتایی تا کشف سلول خورشیدی در ادامه مطلب آورده شده است.

                                                             خلاصه کارهای مرتبط با سلول خورشیدی
ادموند بکوارل [Edmond Becquerel] به نظر اولین کسی است که اثرات فتوولتایی را کشف کرده است .
                                                              دیاگرام دستگاه شرح داده‌شده توسط بکروول

با کار کردن در آزمایشگاه پدرش در سن نوزده سالگی، او از تاباندن نور به یک الکترود در انواع مختلف نور، از جمله نور خورشید، الکتریسیته تولید کرد. با پوشاندن الکترودها با لایه‌های حساس به نور مانند AgCl یا AgBr، بهترین نتیجه با نورهای ماورای بنفش و آبی به دست آمد. اگرچه او معمولاً از الکترودهای پلاتین استفاده می­کرد، در الکترودهای نقره نیز پاسخ اندکی دریافت کرد. او سپس از این الکترودها با توسعه دستگاهی به نام اکتینوگراف[Actinograph]، که دمای اجسام حرارت دیده را با سنجش شدت نشر نور اندازه‌گیری می­کند، برای اثرات فتوولتایی استفاده کرد. توسعه بعدی قابل‌توجه در زمینه سلول‌های خورشیدی، توجه به اثرات فتورسانایی سلنیوم است. آدامس و دی[Adams & Day] در طی بررسی‌های خود اشاره کردند که ایده آن‌ها می‌تواند با تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی درونی توضیح داده شود. آن‌ها با بررسی نمونه‌هایی مانند زیر شروع کردند. اتصال­ های الکتریکی پلاتین حرارت داده‌شده به انتهایی دیگر سیلندرهای کوچک از سلنیوم شیشه‌ای فرستاده می­ شد. هدف آزمایش طراحی‌شده توسط آدامس و دی با چنین نمونه ­ای برای یافتن این مطلب بود که آیا ممکن است صرفاً با تابش نور در سلنیوم جریان تولید شود.

                                        نمونه استفاده‌شده توسط آدامس و ری برای بررسی اثر فتوالکتریکی در سلنیوم

نتیجه این آزمایش مثبت بود این اولین ثبت اثر فتوولتایی در یک سیستم کاملاً جامد بود. آدامس و ری جریان­ های تولیدشده توسط نور را به بلوری شدن القا شده توسط نور در لایه ­های خارجی سلنیوم نسبت دادند. چندین دهه گذشت تا علت دقیق این فرایند با جزییات بیشتری بیان شد.

روش کار
1-سعی کنید روش های دیگر مورد استفاده در طراحی سلول های خورشیدی را بیابید.
2- روش های فعلی را با روش های قدیمی مقایسه کرده و مزایای آنها را درک کنید.
3- آیا مولکول هایی می شناسید که بتوانند در تهیه سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند؟

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی