انواع سلول های خورشیدی

انواع سلول های خورشیدی

در منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم بندی ها در زمینه سلول های خورشیدی انجام می شود. در اینجا نوعی از این تقسیم بندی را که تا حدی براساس ترتیب زمانی پیدایش آنها نیز می باشد ارائه شده است.

1. سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کریستالی
رایج ترین ماده توده برای سلول خورشیدی، سیلیکون کریستالی (c-Si) است. ماده توده سیلیکون با توجه به نوع کریستال و اندازه کریستال به چندین بخش تقسیم می شود.
• سیلیکون تک کریستالی (c-Si)
• سیلیکون پلی کریستالی (poly-Si) یا چند کریستالی (mc-Si)

 
2. سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون لایه نازک غیر کریستالی (آمورف)
هزینه پایین یکی از مزایای سلول های خورشیدی برپایه سیلیکون آمورف (a-Si) می باشد. دو جزء اصلی آلیاژ a-Si ، سیلیکون و هیدروژن است. علاوه براین، مشخصه یک آلیاژ a-Si داشتن ضریب جذب بالاست. تنها یک لایه نازک برای جذب نور نیاز است و این باعث کاهش هزینه مواد می شود.

3. سلول های خورشیدی لایه نازک GaAsاولین لازمه موادی که باید در یک قطعه مبدل انرژی فتوولتائیک خورشیدی به کار برود، تطبیق گاف انرژی با طیف خورشیدی و نیز داشتن قابلیت تحرک بالا و طول عمر حامل های زیاد می باشند. این شرایط توسط بسیاری از ترکیبات II-VI ، III-V و Si برآورده می شوند. مواد گروه III – Vعلی رغم هزینه های بالای استحصال و ساخت این نیمه هادی ها، با موفقیت زیاد در کاربردهای فضایی که در آنها هزینه، فاکتور مهمی نیست مورد استفاده قرار گرفته اند. در سال 1961، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که برای سلولی با گاف انرژی ماده برابر 1.39eVبدست می‌آید. با توجه به اینکه انرژی شکاف گالیم آرسناید برابر 1.424eV است می تواند ماده مناسبی برای طراحی سلول های خورشیدی باشد.سلول های خورشیدی ساخته شده برپایه لایه نازک GaAs به عنوان نسل دوم سلول های خورشیدی نامگذاری می شوند.

4. سلول های خورشیدی مبتنی بر مواد آلیسلولهای خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان دیگر خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. انواعی از سلول های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل سلول های خورشیدی حساس به رنگ، سلول های خورشیدی پلیمری و سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع هستند.
• سلول های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC )
ساختار پایه یک DSSC وارد کردن بهینه یک نیمه هادی نوع n شفاف (با شکاف انرژی پهن) در یک شبکه ای از ستون ها در ابعاد نانو در تماس با نانوذره ها یا برآمدگی های مرجانی شکل است.

شکل 1) شماتیک یک سلول خورشیدی حساس به رنگ

 S. J. Fonash, Solar Cell Device Physics (Second Edition) Elsevier, 2010.

سطح شبکه بزرگ طراحی می شود و هرقسمت آن با یک تک لایه ای از یک رنگ یا پوششی از نقاط کوانتومی، که به عنوان رنگ عمل می کنند، پوشانده می شود. سپس یک الکترولیت برای نفوذ ساختار شبکه پوشش داده شده حاصل، مورد استفاده قرار می گیرد تا یک کانال یا مجرایی بین رنگ و آند ایجاد کند. رنگ نور را جذب می کند و تولید اکسیتون  می کند ، که در سطح مشترک رنگ – نیمه هادی تفکیک می شود و منجر به ایجاد الکترون ها توسط فوتون برای نیمه هادی و مولکول های رنگ اکسید شده به وسیله الکترولیت (که باید کاهش یابند و دوباره تولید شوند) می شود.
• سلول های خورشیدی پلیمری
سلول های خورشیدی پلیمری دارای ویژگی های خاصی هستند. چون مواد اکتیو استفاده شده برای ساخت قطعات قابل حل شدن در حلال های آلی بسیاری هستند، بنابراین سلول های خورشیدی پلیمری دارای پتانسیل لازم برای انعطاف پذیری و قابلیت ساخت در یک فرایند چاپ پیوسته همانند چاپ روزنامه را دارند.

شکل 2) قابلیت ساخت سلول های خورشیدی پلیمری به صورت یک فرایند ساخت پیوسته

Nat. Photonics, vol. 2, p. 287–289, 2008

اخیرا بازده تبدیل توان حدود 6% گزارش شده است ولی این مقدار با مقادیر لازم برای کاربردهای معمول فاصله دارد.
• سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع
در نمونه ای از سلول های خورشیدی از این نوع از کریستال های مایع ستونی برای ساخت سلول استفاده می شود. گروهی از کریستال‌های مایع می‌توانند به حالت ستونی وجود داشته باشند. حالت ستونی حالتی است که مولکول‌های تشکیل‌دهنده کریستال‌های مایع که می‌توان آنها را به دیسکی تشبیه کرد روی هم قرار گرفته و ستون‌هایی را تشکیل می‌دهند. در ابتدا این گروه از کریستال‌های مایع، کریستال‌های مایع دیسکی نامیده می‌شدند. زیرا هر ستون از روی هم چیده شدن صفحات دیسک مانند مولکول‌ها روی هم درست می‌شود. تحقیقات اخیر نشان داده‌است که بعضی از کریستال‌های مایع ستونی از واحدهای غیر دیسکی ساخته می‌شوند در نتیجه بهتر است به این گروه از مواد کریستال‌های مایع ستونی گفته شود.

5. سلول های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی

یک فاکتور محدود کننده برای بازده تبدیل انرژی در سلول های خورشیدی با یک شکاف انرژی این است که انرژی فوتون جذب شده بالای شکاف انرژی نیمه هادی در اثر اندرکنش الکترون – فونون به صورت گرما تلف می شود تا حامل ها به لبه شکاف باند انرژی رسیده و به اصطلاح به آرامش  برسند.

شکل 3) سلول خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی

(IEEE Transactions on electron devices, vol. 49, pp. 1632-1639, 2002.)

در سال های اخیر روشهایی برای کاهش این تلفات با استفاده از ساختارهای کوانتومی از جمله چاه های کوانتومی و نقاط کوانتومی ارائه شده است.

شکل 4) بهبود بازده فتوولتائیک در سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی با استفاده از یونیزاسیون ضربه ای (اثر اوژهمعکوس) (Phys. Rev. B, vol. 60, pp. R2181-R2184, 1999.)

در این ساختارها هنگامی که حامل ها در نیمه هادی به وسیله سد های پتانسیل به نواحی خاصی که کوچکتر یا قابل مقایسه با طول موج دوبروی آنها یا شعاع بوهر اکسیتون ها در نیمه هادی توده  است محدود می شوند، دینامیک آرامش کاملا متفاوت خواهد بود

******

- برخی ازآنالیزهای مربوط به سلول‌های خورشیدی
6-1- آنالیز جریان-ولتاژ سلول خورشیدی (Solar Cell J-V Analysis)

تستI-V اولین و پایه‌ای‌ترین آنالیز سلول خورشیدی است. در این آنالیز بازده سلول و همچنین ولتاژ مدار باز، جریان مدار کوتاه و فاکتور پر کنندگی سلول تعیین می‌شود. علاوه‌بر‌این، از شکل منحنی جریان-ولتاژ اطلاعاتی نیز در مورد مقاومت‌های سری و موازی سلول بدست می‌آید. به طور کلی در این تست با تابش نور سفید و بستن یک ولت متر و یک آمپر سنج به کمک یک رئوستا مقاومت افزایش می‌یابد و در نتیجه با افزایش مقاومت تا بی‌نهایت شدت جریان به صفر می‌رسد و در این زمان می‌شود رابطه‌ی بین ولتاژ و آمپر را مقایسه کرد و توان ماکزیموم را حساب نمود و طبق فرمولی با داشتن مساحت سلول و همچنین شدت نور سفید تابانده شده به راندمان سلول دست یافت.

شکل 3: دستگاه تستI-V

6-2- اندازه‌گیری بازده طیفی سلول خورشیدی (Incident Photon to Current Conversion Efficiency)

اندازه‌گیری بازده طیفی سلول خورشیدی یا بازده کوانتومی خارجی سلول با تاباندن نور با طول موج مشخص به سلول و اندازه‌گیری جریان سلول انجام می‌شود. با مقایسه جریان سلول با جریان یک فوتودیود کالیبره شده در هر طول موج می‌توان بازده طیفی را اندازه گرفت.

6-3- اندازه‌گیری سطح فرمی و بار تجمع یافته (Fermi level and accumulated charge)

این آنالیز عمدتا برای سلول های خورشیدی رنگدانه ای انجام می شود. با استفاده از این آنالیز چند پارامتر مهم سلول خورشیدی رنگدانه‌ای به شرح زیر قابل اندازه‌گیری است:
اندازه‌گیری تراز فرمی در حالت مدار باز در شدتظهای مختلف نور
اندازه‌گیری جریان اتصال کوتاه در شدت‌های مختلف نور
اندازه‌گیری تراز فرمی الکترود در حالت اتصال کوتاه
اندازه‌گیری عمق و چگالی ترازهای انرژی در الکترودهای نانوساختاری در حالت مدار باز
اندازه‌گیری چگالی بار تجمع یافته در حالت اتصال کوتاه

6-4- طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (Electrochemical Impedance Spectroscopy)

طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی یکی از مهم‌ترین روش‌های مشخصه‌یابی سیستم‌های الکتروشیمیایی و از جمله‌ی آن سلول‌های خورشیدی فوتوالکتروشیمیایی رنگدانه‌ای است. امپدانس به صورت نسبت ولتاژ به جریان سیگنال تعریف می شود.

http://www.iust.ac.ir/find.php?item=74.10877.20217.fa

Save