تاریخچه ی کوتاه  فتوولتاییک

عبارت”Photovoltaic” ترکیبی است از کلمه یونانی “Photos” به معنی نور و Volt که نام واحد نیروی الکتروموتیو یعنی نیرویی که موجب حرکت الکترون ها می شود (یعنی جریان الکتریکی) است. در واقع Volt نام فیزیکدان ایتالیایی”  Count Alessandro Volta” مخترع باتری است. بنابراین فتوولتاییک تولید الکتریسته از نور را انجام می دهد.

کشف پدیده فتوولتاییک به فیزیکدان فرانسوی  Edmond Becquereشکل (1) نسبت داده می شود، که در سال 1839 با چاپ مقاله ای (1839،Becquerel) تجربیات خود را با باتری تر (Wet Cell) ارائه کرد. او مشاهده کردکه ولتاژ باتری وقتی که صفحات نقره ای آن تحت تابش نور خورشید قرار می گیرند، افزایش پیدا می کند.

                                                                                                                         شکل-1: ادموند بکرل کاشف پدیده فتوولتاییک

اما اولین گزارش از پدیده PV[1] در یک ماده جامد در سال 1877 بود، یعنی زمانی که دو داشمند کمبریج W.J.Adams,R.E.Day در مقاله ای به انجمن سلطنتی، تغییراتی را که در خواص الکتریکی سلنیوم ایجاد می شود (وقتی که تحت تابش نور قرار می گیرد)، توضیح دادند.  Adams and Day,1877))

در سال 1883 Charles Edjar Fritts که یک مهندس برق نیویورکی بود، یک سلول خورشیدی سلنیومی ساخت که از برخی جهات شبیه به سلول های خورشیدی سیلیکانی امروزی بود. این سلول تشکیل شده بود از یک ویفر (پولک) نازک سلنیوم که با یک توری از سیم های خیلی نازک طلا و یک ورق حفاظتی از شیشه پوشانده شده بود. اما سلول ساخت او خیلی کم بازده بود.

بازدهی یک سلول خورشیدی عبارت است از درصدی از انرژی خورشیدی تابیده به سطح آن است که به انرژی الکتریکی تبدیل شده باشد.کمتر از یک درصد انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح این سلول ابتدایی به الکتریسیته تبدیل می شد. با وجود این، سلول های سلنیومی سرانجام در نور سنج های عکاسی به طور وسیعی به کار گرفته شد.

دلایل اساسی برای کم بازده بودن این وسیله ی ابتدایی، چند سال بعد آشکار شد، وقتی که در نیمه اول قرن بیستم فیزیک دانانی مانند پلانک و انیشتین دیدگاه جدیدی را برای طبیعت تابش و خواص بنیادین مواد گشودند.

بازدهی بهترین تک سلول خورشیدی سیلیکانی در حال حاضر به 24 درصد در شرایط آزمایشگاهی رسیده است. بهترین مدول PV سیلیکانی که در حال حاضر به طور تجاری در دسترس است دارای بازدهی 17 درصد بوده و انتظار می رود که در حدود 10 سال آینده این بازدهی به 20 درصد برسد. در 10 سال اخیر منتهی به سال 2002، ظرفیت کل نصب شده ی سامانه های PV به تقریب 10 برابر افزایش یافته است، قیمت مدول ها به زیر 4 دلار بر وات و کل سیستم به حدود 7 دلار بر وات رسیده است. همانطور که در فصول بعد خواهیم دید، بهبود در قیمت- کارایی ( Cost-Effectiveness) سلول های PV در حال افزایش است.

                                                     شکل-2: سرمایه گذاری جدید جهانی در انرژی های تجدید پذیر بر اساس فناوری، کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه تا سال 2015 میلادی

                                                                              شکل-3: سرمایه گذاری جدید جهانی در برق و سوخت های تجدید پذیر، کشورهای توسعه یافته وظهور و در حال توسعه 2005 تا 2015  

                                                                                                                  شکل-4 : تعداد افراد شاغل در بخش انرژی های تجدید پذیر

انواع سلول های فتوولتاییک و مروری بر روش های تولید آنها

سلول های سیلیکون کریستالی

مهم ترین ماده در سلول خورشیدی کریستالی، سیلیکون می باشد. بعد از اکسیژن این عنصر بیشترین عنصر روی زمین می باشد. در حال حاضر به صورت خالص وجود ندارد اما در ترکیبات شیمیایی با اکسیژن در شکل کوارتز یا شن وجود دارد. چون برای ساخت سلول های خورشیدی باید از سیلیکون خالص استفاده شود، کارخانه های تولید ماژول خورشیدی باید سیلیکون خالص را استحصال کنند.

سلول های سیلیکونی تک کریستالی

فرآیند چرالسکی برای تولید سیلیکون تک کریستالی در سلول های خورشیدی به کار گرفته می شود. در این فرآیند، مواد اولیه پلی کریستال در یک بوته آزمایش کوارتز ذوب می شود که دمایی در حدود 1420 سانتی گراد دارد. هسته کریستال با یک جهت مشخص به داخل سیلیکون مذاب فرو برده می شود و به آرامی به خارج از مذاب کشیده می شود. در طول این فرآیند، کریستال به مقدار یک منوکریستال استوانه ای تا قطر 30 سانتی متر و چندین متر در طول، رشد خواهد کرد. سپس به صورت لایه لایه (ویفر) بریده می شود. قلب سلول خورشیدی که اتصالP-N می باشد تهیه شد، بعد از ان پوشش ضد انعکاس (AR) و سپس خطوط عبور جریان روی آن چاپ می شود. سرانجام، برای جلوگیری از اتصال کوتاه، عملیات کلیشه سازی انجام می شود که لبه های لایه های P,N به صورت مجزا مشخص باشند. یک نمونه سلول تک کریستالی در شکل (10) نشان داده شده است. در سلول های منوکریستالی باید موارد ذیل را در نظر داشت:

الف) بازدهی: 20% تا 15%

ب) شکل: بسته به اینکه چه مقدار منوکریستال بریده می شود، گرد، نیمه گرد یا مربعی، سلول ها به این اشکال تولید می شوند، سلول های گرد ارزان تر از نیمه گرد و مربعی هستند، زیرا مواد اولیه کمتری در ساخت آنها به کار برده می شود. علیرغم این به ندرت در ماژول های خورشیدی استاندارد و مورد استفاده قرار می گیرند زیرا وقتی در یک ماژول کنار هم قرار می گیرند فضای غیر قابل استفاده زیادی خواهیم داشت که بازدهی ماژول را پایین می آورد. شکل(10).

پ) ابعاد معمول: 10 ⨯10 ؛ 12.5 ⨯ 12.5 ؛ 15 ⨯15 ؛

ت) ضخامت: 0.2 تا 0.3 میلیمتر

ث) ظاهر: یکپارچه

ج) رنگ: آبی تیره یا سیاه ؛ طوسی

                                                                                                                           شکل-5: سلول سیلیکونی تک کریستال

سلول های سیلیکونی پلی کریستال

ابتدا سیلیکون در بوته آزمایش کوارتز ذوب می شود و در قالب هایی به شکل مکعب قالب گیری می شود. حین کنترل گرمایش و سرمایش، قالب را به صورت تک جهتی سرد می کنند. هدف از این جامد سازی یک طرفه، شکل دادن تعداد زیادی کریستال های سیلیکونی تا حد امکان همگن در سایز های چند میلیمتر تا چند سانتیمتر می باشد. دانه های کریستالی ایجاد شده در جهان مختلف شکل گرفته اند که باعث پایین تر بودن بازدهی انها نسبت به سلول های منوکریستالی می باشد. سایر مراحل تولید سلول مانند سلول های منوکریستالی خواهد بود. یک نمونه از سلول سیلیکونی چند کریستالی در شکل (11) نشان داده شده است. در سلول های پلی کریستال موارد ذیل را در نظر داشته باشید:

الف) بازدهی: 13% تا 16%

ب) شکل: مربع

پ) ابعاد معمول:10 ⨯10 ؛ 12.5 12.5

ت) ضخامت: 0.24 تا 0.3 میلیمتر

ث) ظاهر: فرآیند قالب گیری باعث ایجاد کریستال ها در جهات مختلف می شود که با تابش خورشید روی ان شکل چند جهت انها مشخص می باشد.

ج) رنگ: آبی؛ طوسی مایل به نقره ای

در مصارفی که ابعاد پنل و سلول های آن حائز اهمیت می باشد می توان از ماژول های پلی کریستال استفاده کرد چرا که نسبت به ماژول های منو کریستال ارزان تر بوده و کاهش هزینه های پروژه را (اگر هزینه سازه ای زیادی تحمیل نکند) در پی خواهد داشت.

                                                                                                                                           شکل-6: سلول سیلیکانی پلی کریستال

پوشش ضد انعکاس روی سلول های سیلیکون کریستالی

بخاطر نفوذ هر چه بیشتر نور به سلول ها از پوشش ضد انعکاس استفاده می شود که از جنس نیترید سیلیکون یا دی اکسید تیتانیوم می باشد. این پوشش به ما اطمینان می دهد که مقدار خیلی کمی از تابش خورشیدی در برخورد با ماژول خورشیدی انعکاس داده می شود و بیشترین مقدار آن جذب سلول های خورشیدی می شود. نیترید سیلیکون همچنین روی کنش پذیری هم کریستال معیوب روی سطح اثر دارد. این پوشش (AR) رنگ طبیعی طوسی ویفرهای کریستالی را به آرامی در سلول های پلی کریستال و آبی تیره یا مشکی  در سلول های منوکریستال تغییر می دهد. سلول های بدون AR اغلب برای نمای ساختمان ها استفاده می شود که در آنها تا مقدار 30% هدر دهی انرژی خورشید در سلول های خورشیدی مورد پذیرش است.