نوشته های بلاگ برچسب خورده با  "فوتون"

نور مرئی تنها قسمتیاز طیف الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی تک رنگ نیست واز طیف وسیعی از طول موجهای مختلف تشکیل شده و به همین ترتیب از سطوح انرژی تشکیل شده است.

نور را می‌توان به طول موج های مختلف تقسیم کرد که ما می‌توانیم به شکل رنگین کمان ببینیم. از آنجایی که نوری که به سلول خورشیدی برخورد می‌کند فوتون هایی در طیف وسیعی از انرژی دارد، نتیجه می‌گیریم که برخی از آنها انرژی کافی برای تغییر جفت الکترون- حفره ندارند. آنها به سادگی از سلول عبور می‌کنند، انگار که سلول شفاف باشد. هنوز فوتون های دیگر انرژی زیادی دارند. تنها یک مقدار معینی از انرژی که در الکترون ولت ها (eV) اندازه گیری شده و توسط مواد سلول خورشیدی (حدود 1.1 الکترون ولت برای سیلیکون بلوری) تعریف شده است، ضروری است که به الکترون آزاد ضربه زنند. ما این را شکاف نوار انرژی از ماده می‌نامیم. اگر فوتون دارای انرژی بیشتری نسبت به مقدار مورد نیاز باشد، پس انرژی اضافی از بین میرود. (اگرچه فوتون دو برابر انرژی مورد نیاز را داشته باشد و بتواند بیش از یک جفت الکترون حفره ایجاد کند، اما تاثیر آن قابل توجه نیست.) این دو اثر به تنهایی می‌تواند باعث از دست دادن حدود 70 درصد از انرژی تابشی در سلول خورشیدی ما شود.

چرا ما نمی‌توانیم مواد با فاصله شکافی واقعاً کم را انتخاب کنیم، برای اینکه بتوانیم بیشتر از فوتون ها استفاده کنیم؟ متاسفانه، شکاف باند ما قدرت (ولتاژ) میدان الکتریکی ما را تعیین می‌کند و اگر آن خیلی کم باشد، بنابراین آنچه که ما با ساختن جریان اضافی (با جذب فوتون بیشتر)  می‌سازیم، ما با داشتن یک ولتاژ کوچک از دست می‌دهیم. به یاد داشته باشید که توان حاصل ضرب ولتاژ در جریان است. شکاف باند مطلوب، متعادل کننده این دو اثر، حدود 1.4 الکترون ولت برای یک سلول ساخته شده از یک ماده تنها است.

ما تلفات این چنینی نیز باز هم داریم. الکترونهای ما باید از یک طرف سلول به طرف دیگر از طریق یک مدار بیرونی عبور کنند. ما می‌توانیم لایه زیرین را با یک فلز هادی پوشش دهیم، که هدایت و رسانایی خوبی را اجازه می‌دهد، اما اگر ما به طور کامل لایه رویی را با فلز را پوشش دهیم، فوتون ها نمی‌توانند از طریق هادی مات و غیرشفاف عبور کنند و ما تمام جریان خود را از دست می‌دهیم (در برخی از سلول ها، رساناهای شفاف در بالای سطح استفاده می‌شوند، اما نه در همه سلولها). اگر ما اتصالات را فقط در طرفهای سلول خود قرار دهیم، بنابراین الکترونها باید مسیری بسیار طولانی را برای رسیدن به اتصالات طی کنند. به یاد داشته باشید، سیلیکون نیمه هادی است یعنی سیلیکون تقریباً به خوبی یک فلز هادی برای عبور جریان الکتریکی نیست. مقاومت درونی آن  نسبتاً بالا است و مقاومت بالا به معنای تلفات زیاد است. برای به حداقل رساندن این تلفات، سلول ها معمولاً توسط شبکه اتصالات فلزی پوشیده می‌شوند که فاصله ای را که الکترون ها مجبور به حرکت هستند را کوتاه می‌کند در حالی که تنها بخش کوچکی از سطح سلول را پوشش می‌دهد. حتی اگر برخی از فوتونها توسط شبکه مسدود شده باشند،که نمیتوانند این فوتونها بیش از حد کوچک هم باشند، مقاومت آنها بسیار بالا خواهد بود.

حالا ما می‌دانیم که چگونه یک سلول خورشیدی کار می‌کند، در مقاله بعدی با هم میبینیم که مواردی برای ساختن خانه با تکنولوژی فتوولتائیک لازم است.

ساختمان سلول خورشیدی

قبل از این،  ما دو قطعه جداگانه از سیلیکون داشتیم که به صورت الکتریکی خنثی بودند،بخش جالب زمانی شروع میشود که آنها را با هم ترکیب کنیم.  یه این دلیل که بدون یک میدان الکتریکی، سلول کار نخواهد کرد؛ میدان هنگامی‌شکل می‌گیرد که سیلیکون نوع N و نوع P در تماس با هم می‌آیند. ناگهان، الکترون های آزاد در سمت N، تمام حفره های سمت P را مشاهده می‌کنندو به سرعت حرکت می‌کنند تاآنها را پر کنند. حال سوال این است که آیا تمام الکترونهای آزاد تمام حفره های آزاد را پر می‌کنند؟ نه. اگر این کار را انجام دهند، پس آرایش کلی خیلی مفید نخواهد بود. با این حال، درست در محل اتصال، آنها مخلوط می‌شوند و چیزی مانند یک مانع را شکل می‌دهند، و سخت تر و سخت تر می‌شود برای الکترون ها تا از طرف N عبور کنند و به طرف  P حرکت کنند.  در نهایت، تعادل به دست می‌آید و ما میدان الکتریکی منفصل از دو طرف داریم.

این میدان الکتریکی مانند یک دیود عمل می‌کند، بصورتی که اجازه می‌دهد (و حتی هل می‌دهد) الکترون ها از سمت P به طرف N حرکت کنند، اما نه از راه های دیگر که در اطراف آنها وجود دارد. این مثل تپه است - الکترونها می‌توانند به راحتی به پایین تپه برسند (به سمت N)، اما نمیتوانند از آن بالا روند (به طرف P).

هنگامی‌که نور، در شکل فوتون ها، به سلول خورشیدی ما برخورد می‌کند، انرژی فوتون ها باعث می‌شود که جفت های الکترون-حفره از هم جدا شوند. هر فوتون با انرژی کافی معمولاً یک الکترون را دقیقاً آزاد می‌کند و به همین ترتیب منجر می‌شود یک حفره آزاد نیز بوجود آید. اگر این اتفاق به اندازه کافی نزدیک به میدان الکتریکی رخ دهد و یا اگر الکترون آزاد و حفره آزاد در محدوده تاثرگذاری شان منحرف شوند، میدان، الکترون را به سمت N و حفره به طرف P ارسال خواهد کرد. این موجب شکست بیشتر در انرژی الکتریکی ساکن می‌شود و اگر یک مسیر جریان بیرونی را فراهم کنیم، الکترون ها از طریق مسیر به سمت P جریان می‌یابند تا با حفره هایی که میدان الکتریکی به آنجا می‌فرستد یکی شوند و در طول مسیر برای ما کار می‌کنند. جریان الکترون ها جریان الکتریسیته را فراهم می‌کند و میدان الکتریکی سلول ولتاژ را ایجاد می‌کند. با جریان و ولتاژ هر دو، ما توان داریم که حاصل ضرب این دو است.

تعداد اجزای دیگری نیز وجود دارند قبل از اینکه ما بتوانیم واقعاً از سلول خورشیدی خود استفاده کنیم. سیلیکون یک ماده بسیار براق است که می‌تواند فوتون ها را قبل از اینکه کارشان را انجام می‌دهند، به فضاهای دورتر منعکس کند.

یک پوشش ضد انعکاس برای کاهش تلفات آنها روی لایه سیلیکون قرار داده می‌شود. مرحله نهایی نصب چیزی است که سلول را از عناصر دیگر محافظت کند که اغلب یک صفحه پوشش شیشه ای و یا رزینی است. ماژول های PV معمولا با اتصال چندین سلول جداگانه به یکدیگر برای رسیدن به سطوح مفید ولتاژ و جریان، و قرار دادن آنها در یک فریم فلزی محکم که با ترمینالهای های مثبت و منفی کامل شده است، ساخته می‌شوند.

سلول PV ما چقدر از انرژي نور خورشيد را جذب مي کند؟ متأسفانه، احتمالا خیلی زیاد نباشد. برای مثال، در سال 2006، بیشتر پنل های خورشیدی فقط تا میزان کارایی 12 تا 18 درصد رسیده بودند. پیشرفته ترین سیستم پنل خورشیدی در سال گذشته سرانجام  40 درصد رانددمان انرژی خورشیدی را به خود اختصاص داد پس چرا به حداکثر رساندن انرژی جذب شده از روز آفتابی یک چالش است؟