انرژی خورشیدی ( سلول‌های فتوولتائیک )

 ۱- مقدمه

منابع انرژی به دو دسته تجدیدپذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می‌شوند؛ که منابع تجدید ناپذیر شامل سوخت‌های فسیلی و هسته‌ای می‌باشد. سوخت‌های فسیلی مثل نفت، گاز، ذغال سنگ و ... می‌باشند.

انرژی‌های بدست آمده از خورشید، باد، جزرومد، زمین گرمایی و زیست توده^[۱] در دسته انرژی‌های تجدیدپذیر طبقه‌بندی می‌شود.[۱]

شکل ۱- الف) مصرف منابع انرژی آمریکا در سال ۲۰۱۷، ب) مصرف منابع امریکا جهت تولید الکتریسیته، ج) مصرف منابع انرژی فرانسه جهت تولید الکتریسته در سال ۲۰۱۶ [۲]

کشور‌های مختلف باتوجه به دردسترس بودن منابع گوناگون از روش‌های مختلفی به تامین انرژی خود می‌پردازند. مثلا آمریکا ۹۰% از انرژی خود را از منابع فسیلی تامین می‌کند. البته سهم منابع تجدیدپذیر در تولید الکتریسته در این کشور چیزی در حدود ۱۷% می‌باشد. در کشور فرانسه نیز ۷۲% از انرژی الکتریکی مصرفی توسط انرژی هسته‌ای تامین می‌شود.(شکل۱) [۲]

افزایش سهم منابع تجدیدپذیر در حوزه انرژی و علی‌الخصوص الکتریسیته بیانگر افزایش سرمایه‌گذاری در این حوزه است.( شکل ۲) کشور آلمان که یکی از پیشگامان استفاده از انرژی تجدیدپذیر می‌باشد بیش از ۱۱۳ گیگاوات ظرفیت نصب شده نیروگاهی در این حوزه دارد. این کشور توانست سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در حوزه الکتریسته را در نیمه سال ۲۰۱۸ به ۴۲% برساند. کشور چین که ظرفیت نصب شده آن در سال ۲۰۱۷ برابر ۶۰۰ گیگاوات بوده است بنا دارد این ظرفیت را در سال ۲۰۴۰ به ۱۸۰۰ گیگاوات برساند. این کشور بیش از ۲۵% از سرمایه‌گذاری جهان در حوزه تجدید پذیر را به خود اختصاص داده است. [۳]

شکل۲ – میزان سرمایه‌گذاری جهانی در انرژی‌های تجدیدپذیر [۴]

میزان اشتغال‌زایی در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر در طی سال‌های اخیر رشد فزاینده‌ای داشته است بطوریکه در حدود ۱۰/۳ میلیون نفر در این حوزه مشغول به کار می‌باشند.

۲- انرژی خورشیدی

یکی از انواع انرژی‌های تجدیدپذیر انرژی خورشیدی است که در طی سالیان اخیر به همراه انرژی بادی حجم عظیمی از فعالیت‌های حوزه تجدیدپذیر را از آن خود کرده است. بصورتی که طی یک دهه میزان ظرفیت نصب شده آن ۴۲ برابر شده است و تنها در سال ۲۰۱۷ ظرفیت نصب شده ۹۸گیگاوات بوده است. (شکل۳) میزان کل انرژی ساطع شده از خورشید ۱۰^۲۰×۳/۸ مگاوات می‌باشد که البته میزان اندکی از آن را زمین دریافت می‌کند که چیزی در حدود ۱۰^۱۱×۱/۷ مگاوات می‌باشد که حدودا ۸۴ دقیقه از همین میزان می‌تواند مصرف یک سال کل زمین را تامین کند.

شکل ۳ – روند نصب نیروگاه های خورشیدی[۳]

کشور چین خود به تنهایی یک سوم از کل ظرفیت نیروگاه‌های نصب شده خورشیدی را دارد که برابر ۱۳۰ گیگاوات می‌باشد که فقط ۵۳گیگاوات آن مربوط به سال ۲۰۱۷ است. کشور‌های آمریکا، ژاپن، آلمان و... در ردیف‌های بعدی از نظر ظرفیت نصب شده نیروگاه‌های خورشیدی هستند. در حال حاضر ۲۹ کشور جهان حداقل ۱گیگاوات ظرفیت نصب شده خورشیدی دارند.[۳]

یکی از عوامل توسعه و رشد انرژی خورشیدی در جهان کاهش شدید قیمت پنل‌های فتوولتائیک است. (شکل۴) همانطور که در شکل مشخص است درسال ۲۰۱۵ قیمت سلول‌های فتوولتائیک چیزی در حدود ۷۵ تا ۸۰ درصد نسبت به سال ۲۰۱۰ کاهش داشته است. برای مثال سلول‌های نوع لایه نازک ( Thin film a-Si ) از ۲/۵ دلار بر کیلووات در سال ۲۰۱۰ به کمتر از ۱ دلار بر کیلوات، در سال ۲۰۱۵ رسیده است.

شکل ۴ – روند کاهش قیمت ماژول‌های فتوولتائیک

کشور ما نیز در طی سالیان اخیر متوجه حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر شده است. آمارهای جهانی میزان ظرفیت کشور را حدود ۱۲/۲ گیگاوات اعلام کرده‌اند که عمده آن‌ها بخش نیروگاه‌های آبی است. این در حالی است که کل ظرفیت نیروگاهی کشور در حدود ۸۰گیگاوات است. آمارهای داخلی میزان ظرفیت نصب شده انرژی تجدیدپذیر (بدون نیروگاه‌های برق آبی) را تا دی ماه ۱۳۹۷ برابر ۶۸۰ مگاوات اعلام کرده‌اند که ۴۲% آن خورشیدی است.(شکل ۵) پتانسیل تابش خورشیدی در ایران بسیار بالاست بطوریکه دو سوم از مناطق کشور بیش از ۳۰۰ روز آفتابی دارند و متوسط تابش ۴/۵ الی ۵/۵ کیلووات ساعت بر متر مربع در روز می‌باشد. ( شکل ۶)

شکل ۵- نیروگاه‌های تجدیدپذیر کشور (بدون نیروگاه‌های آبی[۵]

شکل ۶- پتانسیل تابش خورشیدی ایران[۶] 

۳- راه‌های استفاده از انرژی خورشیدی

از انرژی خورشیدی می‌توان به سه طریق استفاده است که عبارت است از :

• حرارت
• تولید الکتریسته
• تبدیل به انرژی شیمیایی

برای تولید الکتریسته از دو روش می‌توان استفاده کرد که شامل:

• تبدیل غیرمستقیم
• تبدیل مستقیم برق به الکتریسیته موسوم به فتوولتائیک

۱-۳- تبدیل غیر مستقیم

در تبدیل غیرمستقیم ابتدا آب از طریق کلکتورهای متمرکز کننده نور خورشید به بخار تبدیل شده و سپس توسط توربین‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

۲-۳- فتوولتائیک ( photovoltaic )

سلول‌های فتوولتائیک که معمولا به عنوان سلول‌های خورشیدی شناخته می‌شوند، دستگاه‌هایی هستند که انرژی تابیده شده توسط خورشید در قالب نور به زمین را مستقیما به برق تبدیل می‌کنند. پدیده اثر فتوولتائیک یعنی تولید مستقیم برق از نور، ابتدا در سال ۱۸۳۹ توسط فیزیکدان فرانسوی بکرل کشف شده است. در یک سلول خورشیدی، هنگامی که فوتون‌ها توسط مواد نیمه‌هادی جذب می‌شوند، جفت الکترون حفره ( اکسایتون) تولید می‌شود.

۱-۲-۳- اجزای سلول فتوولتائیک

یک سلول فتوولتائیک از زیرلایه، نیمه هادی‌های نوع n,p و جمع کننده‌های الکتریسته تشکیل شده است. (شکل ۸)

شکل ۷– اجزای سلول فتوولتائیک [۷]

۲-۲-۳- نیمه هادی‌های نوع n,p

نیمه‌رسانایی را که ناخالصی نداشته باشد، نیمه‌رسانای ذاتی می‌گوییم. در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد الکترون‌های موجود در نوار رسانش با تعداد حفره‌های موجود در نوار ظرفیت باهم برابرند. همانطور که می‌دانیم با افزایش دما می‌توان تعداد حاملان بار الکتریکی و در نتیجه رسانایی الکتریکی را در مواد نیمه‌رسانا افزایش داد. علاوه بر افزایش دما، با اضافه کردن مقادیر کمی ناخالصی به ماده نیمه‌رسانا نیز می‌توان تعداد حاملان بار الکتریکی را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. منظور از ناخالصی، اتم‌های غیرهم‌جنس با اتم‌های نیمه‌رسانا است. به عمل اضافه کردن ناخالصی به نیمه‌رسانا، "آلایش^[۲] نیمه‌رسانا" می‌گوییم (شکل ۸) و نیمه‌رسانایی را که به آن اتم‌های ناخالصی اضافه شده است، نیمه‌رسانای غیرذاتی می‌نامند. با افزودن ناخالصی به نیمه‌رسانا، مقاومت ویژه الکتریکی آن کاهش می‌یابد و در نتیجه رسانایی الکتریکی نیمه‌رسانا به صورت قابل توجهی بیشتر می‌شود. آلایش نیمه‌رسانا به دو روش مختلف انجام می‌شود. [۸]

• اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم‌های نیمه‌رسانا ذاتی داشته باشد.
• اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم‌های نیمه‎رسانا ذاتی داشته باشد.

شکل ۸– آلایش نیمه‌رسانا سیلیکون[۸]

به عنوان مثال دو نیمه‌رسانا معروف که در بسیاری از قطعات الکترونیکی استفاده می‌شوند، عناصر سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم(Ge) هستند که هر دو چهار الکترون ظرفیت دارند. با اضافه کردن مقادیری ناخالصی از جنس فسفر ( P ) یا ارسنیک (As) که دارای پنج الکترون ظرفیت هستند به سیلیسیوم یا ژرمانیوم، نیمه‌رسانا را به روش اول آلایش کرده‌ایم. همچنین با افزودن مقادیری ناخالصی از جنس بور (B) یا گالیم (Ga) که دارای سه الکترون ظرفیت هستند به سیلیسیوم یا ژرمانیوم، نیمه‌رسانا را به روش دوم آلایش کرده‌ای. نیمه‌رسانایی را که به روش اول آلاییده می‌شود، یعنی اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم نیمه‌رسانا داشته باشد، نیمه‌رسانا نوع n و نیمه‌رسانایی را که به روش دوم آلاییده می‌شود، یعنی اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم نیمه‌رسانا داشته باشد، نیمه‌رسانا نوع p می‌گوییم.[۸]

۳-۲-۳- نحوه عملکرد سلول فتوولتائیک

وقتی دو نیمه‌هادی نوع n,p را کنار هم قرار می‌دهیم، الکترون‌های آزاد نوع n وارد حفره‌های نیمه‌رساناهای نوع p می‌شوند و یک یون مثبت و یک یون منفی تشکیل می‌شود. اتصال p,n تنها در لحظات اولیه ایجاد می‌شود. وقتی میدان الکتریکی داخلی ( ناحیه تخلیه) تشکیل شد، دیگر هیچ اتفاقی رخ نمی‌دهد.

هرگاه در محل اتصال p-n نور خورشید بتابد، جفت الکترون و حفره ایجاد می‌شود. در محل میدان الکتریکی وقتی این زوج ایجاد می‌شود الکترون به سمت مثبت و حفره به سمت منفی حرکت می‌کند که این باعث ایجاد یک اختلاف پتانسیل شده که منجر به ایجاد جریان الکتریکی می‌شود. (شکل ۹)

شکل ۹– سیستم فتوولتائیک [۷]

۴-۲-۳- طراحی سلول‌های فتوولتائیک

از کنار هم قرار گرفتن سلول‌های فتوولتائیک؛ ماژول و از کنار هم قرار گرفتن ماژول‌ها به صورت سری و موازی؛ پنل‌های فتوولتائیک بدست می‌آید.

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

استفاده از انرژی خورشیدی با توجه ظرفیت بالای انرژی و پیشرفت‌های فناوری می‌تواند ضمن کاهش آلودگی‌های زیست محیطی به توسعه انرژی پایدار کمک می‌کند. فناوری نانو می‌تواند موجب توسعه استفاده این تکنولوژی باتوجه به بهبود راندمان شود.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۵-منابع

[1]. Smith , G.B. , and Granqvist , C.G. ( 2010 )Green Nanotechnology: Solutions forSustainability and Energy in the BuiltEnvironment , CRC Press , Boca Raton,FL, USA

[2]. S Energy Information Administration, Electric Power Monthly, February 2018, preliminary data. (eia)

[3]. J Soussan ,Primary resources and energy in the third world , 1st Edition , Tylor &francis group. 2019

[4]. Frankfurt School-UNEP Center/BNEF. 2018.Global Trends in Renewable Energy Investment 2018.

[5]. Irena Data.

[6]. World Bank Grope. ESMAP.

[7]. JY Hee, LV Kumar, AJ Danner, H Yang, CS Bhatia- Energy Procedia, 2012 - Elsevier

[۸]. محمد فرهادپور، مواد نیمه‌رسانا، انواع و ویژگی‌ها.

[1]Biomass

[2]doping