انواع فناوری سلول های خورشیدی

سلول‌های فتوولتائیک که از یک اتصال P-N ساخته شده‌اند، بدون هیچ آلودگی نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. اصول تولید فوتوجریان از سلول‌های فتوولتائیک در شکل زیر نشان داده شده است.


در واقع وقتی که نور خورشید به سطح سلول برخورد می‌کند، فوتون‌ها توسط اتم‌های نیمه هادی، الکترون‌های آزاد لایه‌ی منفی، جذب می‌شوند. این الکترون‌های آزاد از طریق مدار خارجی مسیر خود را به سمت لایه‌ی مثبت پیدا کرده و در نتیجه جریان الکتریکی از لایه‌ی مثبت به منفی جاری می‌شود.

فناوری‌های فتوولتائيک تجاری موجود و در حال توسعه را می‌توان در سه گروه: تکنولوژی کريستال، تکنولوژی فيلم نازک و تکنولوژی فتوولتائيک نوظهور و جدید دسته بندی کرد که از لحاظ راندمان جذب نور، راندمان تبديل انرژی، تکنولوژی ساخت و هزينه‌های توليد با هم متفاوت هستند.

• تکنولوژی کریستالی

ماده اصلی بکار رفته در ساخت سلول‌های خورشيدی سيليس يا سيليکون است. سيليس ماده‌ای است که قسمت عمده پوسته زمين از آن تشکيل شده ولی اين ماده عمدتاً به صورت ترکيب اکسيد سليسيم يا سيليکا (SiO2) يافت می‌شود که در اصطلاح غير علمی به آن ماسه می‌گويند. سلول‌های سيليکونی به خاطر فرآيند ساخت و خالص‌سازی سيليکون قيمت بالايی دارند.

تکنولوژی کریستالی در سه فرم: سیلیکون تک کریستالی، سیلیکون چند کریستالی و آرسنیک-‌ گالیم مورد استفاده قرار می‌گیرد.


1. سیلیکون تک کریستالی- مونو کریستال (Single (Mono)- Crystal Silicon)

سيليکون تک کريستالی که به طور گسترده‌ای در ساخت سلول‌های خورشيدی استفاده می‌شود از يک کريستال بزرگ سيليس توليد می‌شود. رايج بودن سيليکون تک کريستالی به دليل پايداری خوب، خواص الکتريکی، فيزيکی و شيمايی مرغوب سيليکون است.

سيليکون تک کريستالی دارای ساختار مولکولی يکنواخت است که در مقايسه با مواد غير کريستالی، ساختار يکنواخت آن منجر به راندمان تبديل انرژی (نسبت توان الکتريکی توليد شده توسط سلول به مقدار توان نور خورشيد موجود) بالا می‌شود.

راندمان تبديل ماژول‌های تجاری سيليکون تک کريستالی در حدود %20-14 است اما به دليل گران بودن سيليکون تک کريستالی قيمت آن‌ها کمی بالا می‌باشد.

2. سيليکون چند کريستالی (Poly (Multi)- Crystalline Silicon)

متشکل از دانه‌های کوچک سيليکون‌های تک کريستالی است که در مقایسه با سلول‌های تک کریستالی دارای راندمان انرژی و هزينه ساخت کمتری هستند. راندمان تبديل انرژی ماژول‌های تجاری سيليکون چند کريستالی در حدود %14-10 است.

3. آرسنيک گاليم (Gallium Arsenide (GaAs))

اين نيمه هادی مرکب، از دو عنصر گاليم (Ga) و آرسنيک (As) ساخته شده است. GaAs دارای ساختار کريستالی و سطح بالای جذب نور است و نسبت به سيليکون کريستالی دارای راندمان تبديل انرژی بالاتری، در حدود %30-25 است.
سمی بودن آرسنیک و هزینه بالا نسبت به سیلیکون تک کریستالی از معايب سلول‌های GaAs است.
به دليل مقاومت بالای آن در برابر گرما در سيستم‌های متمرکز  که درجه حرارت سلول‌ها زیاد است و همچنين در کاربردهای فضايی که نیاز به مقاومت بالا در برابر آسيب تشعشع و راندمان بالای سلول است، مورد استفاده قرار می‌گيرند.

 

•  تکنولوژی فیلم نازک

در يک سلول فيلم نازک، لايه‌های مواد نيمه هادی با ضخامت 2-0.3 ميلی‌متر روی شيشه، پلاستيک، استيل ضد زنگ و ديگر مواد زير لايه‌ای قرار می‌گيرند.

از آنجا که مواد فيلم نازک نسبت به مواد کریستالی دارای ضريب جذب بالايی هستند، لايه رسوبی  مواد فتوولتائیک بسيار نازک در نظر گرفته می‌شوند که اين منجر به کاهش هزينه سلول می‌شود. با اين حال سلول‌های فتوولتائیک فيلم نازک دارای راندمان تبديل کمی هستند.

انواع تکنولوژی‌های فیلم نازک عبارتند از: سیلیکون آمورفوس، تلورید کادمیم، CIGS

1. سيليکون آمورفوس (Amorphous Silicon (A-Si))

اين ماده دارای مزيت ضريب جذب بالا، در حدود 40 برابر کریستال سيليکونی است. تنها يک لايه نازک برای جذب نور مورد نياز است که این منجر به کاهش هزينه مواد می‌شود. با این حال دارای راندمان تبديل انرژی پايين در حدود %9-5 است.
سيليکون آمورفوس به طور گسترده‌ای در کالاهای مصرفی کوچک مانند ساعت و ماشين حساب استفاده می‌شود.

2. تلوريد کادميم (Cadmium Telluride (CdTe))

 تلوريد کادميم دارای ضريب جذب بالايی است. تنها با ضخامت در حدود يک ميلی‌متر می‌تواند 90% طيف خورشيد را جذب کند و دارای کمترين هزينه توليد در ميان تکنولوژی‌های فيلم نازک است.

راندمان ماژول‌های تجاری CdTe در حدود %7 است. بی ثباتی عملکرد سلول و ماژول از اشکالات عمده‌ی سلول‌های CdTe است، همچنين کادميم يک عنصر سمی است.

3. مس، اينديم، گاليم، سلنيد و سولفيد  (Copper-Indium-[Gallium]-Selenide-Sulphide (CI[G]S))

CIGS يک نيمه هادی با قدرت جذب بالاست که می‌تواند با ضخامت 0.5 ميلی‌متر %90 طيف خورشيد را جذب کند و دارای بالاترین راندمان در میان تکنولوژی‌های فیلم نازک است.
CIGS يک ماده موثر و پيچيده است که این پيچيدگی موجب دشواری ساخت آن می‌شود. توليد سلنيد هيدروژن که يک گاز بسيار سمی است از نگرانی‌های موجود در فرآيند ساخت آن است.

در سال 2014 در آزمایشگاه EMPA به رکورد 20.4 درصد راندمان تبديل انرژی برای سلول‏ های خورشيدی CIGS لايه نازک روی زير لايه‏ های پليمری انعطاف‏ پذير دست پيدا کرده بودند.

•  تکنولوژی نوظهور و جدید

فناوری های این نسل در مرحله پیش از تجاری سازی به سر می برند.تکنولوژی نوظهور و جدید به دسته های زیر تقسیم می شوند:

1.  سلول های فتوولتائیک متمرکز CPV (Concentrating PV)

2. سلول های خورشیدی ارگانیک Organic PV

3. سلول های خورشیدی حساس به رنگ

4. سلول های خورشیدی پلیمری

5. سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع

6. فیلم های نازک پیشرفته  Advanced thin films