تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 3030
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
3030
filereader.php?p1=main_55fdc83b1e24ac596

موضوع: نانوالکترونیک

فصل: سلول‌های خورشیدی


بخش اول: نیاز به انرژی‌های نو و سلول‌های خورشیدی
بخش دوم: انرژی خورشیدی چیست و چگونه به زمین می‌رسد؟
بخش سوم: طرز کار سلول‌های خورشیدی
بخش چهارم: انواع سلول‌های خورشیدی و آنالیزهای آنها


بخش اول: نیاز به انرژی‌های نو و سلول‌های خورشیدی


نویسندگان: روح ا... خسروشاهی، محمد فرهادپور



مقدمه

امروزه بشر با دو بحران بزرگ روبرو است که بیش از آنچه ظاهرا مشخص است با یکدیگر ارتباط دارند. از یک طرف جوامع صنعتی و همچنین شهرهای بزرگ با مشکل آلودگی محیط زیست مواجه هستند و از طرف دیگر مشاهده می­شود که مواد اولیه و سوخت مورد نیاز برای کاربردهای صنعتی و غیره با شتاب روز افزون در حال اتمام است. اثرات مصرف بالای انرژی در زمین، آب و هوا آشکارا مشخص است و تنها راه­حل، پایین آوردن میزان مصرف انرژی است، در حالیکه این امر نمی­تواند به طور موثر ادامه داشته باشد.
به دلیل حساسیت­هایی که در زمینه مسائل زیست محیطی و کاهش وابستگی به انرژی سوخت­های فسیلی وجود دارد، توجه جهانی به سمت استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر از جمله انرژی خورشیدی جلب شده است. خورشید به عنوان یک منبع بی­پایان انرژی می­تواند حلال مشکلات موجود در مورد انرژی و محیط زیست باشد.
انرژی که زمین از خورشید دریافت می‌کند 10000بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان‌ها است و همچنین مصرف انرژی در سال1429، 300 درصد بیش از مصرف امروزی آن خواهد بود و این در حالی است که اگر از 1/0درصد این انرژی خدادادی در سطح زمین الکتریسیته تولید شود، برای نسل بشر کافی خواهد بود. با گسترش استفاده از انرژی‌های نو مخصوصا انرژی خورشیدی می‌توان انرژی قابل ملاحظه‌ای حاصل کرد و آلودگی‌های زیست محیطی را نیز کاهش داد.
همان طور که اشاره شد یکی از مشکلات و دغدغه‌های اساسی دنیای امروز، پایان یافتن منابع سوخت فسیلی به عنوان مهم‌ترین منبع فعلی انرژی دنیا است. پیش‌بینی‌ها به طور متوسط چنین می‌گویند که طی 50 سال آینده منابع نفت و طی 110 سال آینده منابع گاز به پایان خواهند رسید. از این رو، دسترسی به یک منبع پایان ناپذیر انرژی امری بسیار ضروری به نظر می‌رسد. انرژی خورشیدی، علاوه بر پایان ناپذیر بودن، منبعی است که انرژی بسیار عظیمی را در اختیار بشر می‌گذارد و همچنین در اکثر نقاط دنیا قابل دسترسی است و انرژی پاکی به شمار می‌رود.
همه‌ی شما تا کنون عبارت صفحه‌های خورشیدی "Solar Panel" یا سلول خورشیدی "Solar Cell" را شنیده‌اید. این دو، وسایلی برای استفاده از انرژی خورشیدی هستند. برخی وسایلی که شما از آنها استفاده می‌کنید، مانند ماشین حساب‌ها، چراغ‌های راهنمایی یا چراغ‌های روشن در اتوبان‌ها مثال‌هایی هستند که انرژی خود را از سلول خورشیدی تامین می‌کنند. حتی امروزه، ایده‌هایی مبنی بر استفاده از این فناوری در سطح عمومی، مانند تولید خانگی برق مورد توجه دولت‌ها و مردم قرار گرفته است. نمونه‌ای از این سلول‌ها را در شکل 1 مشاهده می‌کنید.



filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

شکل1: برای تولید برق می‌توان سطوح مختلفی مانند پشت بام منازل را که در معرض تابش نور خورشید هستند، با استفاده از صفحات خورشیدی پوشاند.


1- نور خورشید و کاربردهای آن

لغت Solar یک کلمه‌ی لاتین برای خورشید یا "Sun" است که یک منبع قدرتمند انرژی به حساب می‌آید. در واقع، مقداری از نور خورشید که فقط در یک ساعت به زمین می‌تابد، می‌تواند انرژی مورد نیاز زمین را برای یک سال تامین کند! امروزه نیروگاه‌های خورشیدی زیادی در سرتاسر دنیا فعال هستند. البته این نیروگاه‌ها هنوز به دلایل اقتصادی و فناورانه گسترش پیدا نکرده‌اند. نمونه‌ای از این نیروگاه‌ها را در شکل 2 مشاهده می‌کنید.


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

شکل 2: نمونه‌ای از یک نیروگاه خورشیدی


همانگونه که در کتاب فیزیک سال اول دبیرستان آموخته‌اید، از انرژی خورشیدی به دو صورت می‌توان استفاده کرد. یکی به عنوان منبع گرما (انرژی حرارتی) و دیگری به عنوان منبع انرژی الکتریکی (الکتریسیته). هر چند استفاده از انرژی خورشیدی محدود به این دو نیست. خورشید در حقیقت یکی از منابع حیات طبیعت است. برای مثال پدیده فوتوسنتز در گیاهان، با استفاده از انرژی خورشیدی انجام شده می‌شود. در این فرآیند انرژی خورشید صرف انجام واکنش شیمیایی درون برگ درختان می‌شود. ضمن اینکه نباید فراموش کرد که در سیاراتی که از سهم کم‌تری از انرژی خورشید برخوردار هستند، مانند نپتون، عملا امکان حیات وجود ندارد!
مردم برای سال‌های طولانی از خورشید به عنوان منبع گرمایی استفاده می‌کردند. برای مثال خانواده‌ها در یونان باستان خانه‌های خود را به نحوی می‌ساختند که بیشترین مقدار نور خورشید را در طی زمستان دریافت کند. امروزه نیز علاوه بر سیستم‌های گرمایش آب، این جنبه از انرژی خورشید در کاربردهایی همچون خشک کردن محصولات کشاورزی مورد استفاده قرار دارد. در صفحه‌های خورشیدی نیز نور خورشید صرف تولید حرارت می‌شود. اما بحث اصلی در سلول‌های خورشیدی، تولید انرژی الکتریکی از نور خورشید و در واقع پدیده‌ی فتوولتائیک است. هرچند در ادامه اشاره‌ای مختصر به سیستم‌های خورشیدی حرارتی هم خواهیم داشت.
سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک در واقع وسیله‌ای الکترونیکی است که انرژی خورشید (یعنی انرژی تابشی رسیده از خورشید) را تحت فرآیندی به نام فتوولتائیک، به الکتریسیته تبدیل می کند. در واقع، پدیده فتوولتائیک، پدیده‌ای است که طی آن انرژی خورشیدی به صورت "مستقیم" به انرژی الکتریسیته تبدیل می‌شود و معنای لغوی آن الکتریسیته یا همان جریان الکتریکی ناشی از نور خورشید است. همان طور که می‌دانید، جریان الکتریکی به دلیل حرکت الکترون‌ها درون سیم ایجاد می‌شود.
سلول‌های خورشیدی برای کاربردهای مختلفی استفاده می‌شوند. سلول‌های خورشیدی کوچک در قطعات الکترونیکی با ابعاد کوچک مانند ماشین حساب‌ها، حسگرها و ساعت‌های خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ماژول‌های خورشیدی نیز در تجهیزات عظیم‌تری مثل ایستگاه‌های فضایی موجود در مدار زمین و یا ماشین‌های خورشیدی استفاده می‌شوند. تجهیز نیروگاه‌های خورشیدی و تولید برق برای مناطقی که امکان برق رسانی به آنها وجود ندارد و همچنین تامین نیازهای الکتریکی منازل، طیف گسترده مصارف این قطعات را نشان می‌دهد. نمونه‌هایی از این کاربردها در شکل 3 نشان داده شده است.


filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

شکل 3: برخی کاربردهای سلول‌های خورشیدی: الف) یک ایستگاه فضایی، ب) چراغ روشنایی در یک خیابان، ج) یک ماشین حساب، د) یک ایستگاه شارژ ماشین‌های خورشیدی، ه) یک ماشین خورشیدی پیشرفته


1- مشکلات و ویژگی‌های استفاده از انرژی خورشیدی

دو مشکل اصلی در استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد. مشکل اول این است که این انرژی از راه‌های مختلف و متغیر به زمین می‌رسد. در این بین امکان تغییر مقادیر آن در مکان‌ها و زمان‌های مختلف وجود دارد. برای مثال در یک نقطه از زمین، در هنگام شب، تابش خورشید متوقف می‌گردد. در زمستان نیز میزان تابش کم‌تر از تابستان است. همچنین میزان انرژی خورشیدی دریافتی توسط ساکنین زمین، بسته به عرض و طول جغرافیایی و همچنین ارتفاع از سطح زمین در هر منطقه متفاوت است. مشکل دوم این است که برای جمع‌آوری انرژی خورشیدی، نیاز به سطح زیادی داریم. در واقع، بر خلاف سایر ادوات الکترونیکی مانند مدارهای مجتمع (IC) که هر روزه اندازه‌ی آنها کوچک‌تر می‌شود، سلول‌های خورشیدی ادواتی وابسته به سطح هستند و هر چه سطح بزرگ‌تری داشته باشند، انرژی بیشتری نیز تولید می‌کنند.
الکتریسیته می‌تواند به صورت مستقیم به وسیله ادوات فتوولتائیک از انرژی خورشیدی به دست آید. دلیل اینکه بر روی مستقیم بودن این تبدیل تاکید می‌کنیم، از این جهت است که انرژی الکتریکی را می‌توان با روش‌های غیرمستقیم نیز از خورشید به دست آورد. برای مثال، موتورهای بخاری وجود دارد که انرژی لازم برای گرم کردن یک مایع را توسط جمع کننده‌های نور خورشید دریافت می‌کنند و آن را در یک محل مشخص متمرکز می‌نمایند. به این ترتیب مایع به بخار تبدیل شده و در نهایت در ژنراتور بخار، انرژی الکتریکی تولید می‌شود. نمونه‌ای از این دست نیروگاه‌ها را در شکل 4 مشاهده می‌کنید.
در مقایسه با سایر روش‌های تولید انرژی الکتریکی، سیستم‌های فتوولتائیک الکتریسیته تمیز و در دسترس را بدون مصرف هر گونه سوخت فسیلی و بدون هر گونه حرکت مکانیکی تولید می‌کنند. نحوه‌ی عملکرد سلول‌های خورشیدی در بخش‌های بعدی به تفصیل توضیح داده خواهد شد. این فرآیند به صورت خلاصه اینگونه است که جذب انرژی موجود در نور خورشید توسط یک ماده نیمه هادی منجر به تولید الکترون شده و با خروج این الکترون‌ها از ماده، جریان الکتریکی شکل می‌گیرد.


filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9

شکل4: نمونه‌ای از برخی نیروگاه‌های خورشیدی که با متمرکز نمودن نور خورشید خورشید، گرمای لازم برای تولید بخار و به کار افتادن موتور و تولید الکتریسیته را تامین می‌کنند.


در پایان باید از این نظر نیز به سلول‌های خورشیدی نگاه کرد که اثرات مخرب محیط زیستی سلول‌های خورشیدی در مقایسه با سایر منابع انرژی مانند سوخت فسیلی و انرژی هسته‌ای (که حقیقتا امروزه آلودگی‌های زیستی این دو محیط جزو بزرگ‌ترین دغدغه های طرفداران محیط زیست است) بسیار ناچیز است. در این سیستم‌ها، نه نیاز به آب برای خنک کردن سیستم است و نه محصولات جانبی در حین فرآیند تولید می‌شود. امروزه، تنها مشکلی که از توسعه گسترده این انرژی جلوگیری کرده است، هزینه تمام شده نسبتا بالای آن است که امکان رقابت آن با سایر انرژی‌ها مانند هسته‌ای و فسیلی را هنوز ممکن نکرده است. تلاش‌های دانشمندان در راستای افزایش بازده و کاهش قیمت این سلول‌ها در کنار ابداع روش‌های آسان برای ساخت و تهیه این سلول‌ها در ابعاد بزرگ است. پیش‌بینی‌ها بیان می‌کنند که طی 20 سال آینده، انرژی خورشیدی از نظر اقتصادی قابل رقابت با انرژی فسیلی خواهد شد. در واقع، علاوه بر کاهش هزینه‌های سلول خورشیدی، انرژی فسیلی نیز روندی صعودی در قیمت‌ها داشته است. همین امر سبب شده است که دولت‌ها، برنامه‌ریزی‌های استراتژیکی را برای دسترسی به این منبع انرژی انجام دهند و گروه‌های زیادی را برای دسترسی به این هدف مامور کرده‌اند.
در کشور ما نیز از حدود سال ۱۳۷۰ تلاش‌ها و برنامه‌ریزی‌ها در جهت شناخت پتانسیل انرژی‌های نو و به‌ویژه انرژی خورشید و کاربرد هر چه بیشتر آنها آغاز شده است. ایران به دلیل قرار گرفتن در کمربند تابشی خورشید از پتانسیل بالایی در زمینه بهره‌برداری از این موهبت خدادادی برخوردار است. به طوری که در ۹۰ درصد خاک کشورمان بیش از ۳۰۰ روز آفتاب خیلی موثر وجود دارد که شرایط ایده‌آلی را برای استفاده از این منبع خدادادی حاصل می‌کند.
تا اینجا سعی شد مقدمه‌ای بر سلول‌های خورشیدی مطرح شود و اساسا لزوم توجه به این فناوری و تحقیق و گسترش آن مورد بحث قرار گیرد. در ادامه مطالب، به صورت جزئی، نحوه عملکرد و انواع سلول‌های خورشیدی به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.







filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • مجموعه مقالات سایت آموزش ستاد نانو