سلول‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

فتوولتائیک (برق خورشیدی)

دستگاه‌های «فوتوولتائیک» (Photovoltaic) یا به اختصار «PV» به طور مستقیم از نور خورشید با یک فرآیند الکترونیکی، برق تولید می‌کنند. این فرآیند توسط انواع خاصی از مواد «نیمه‌هادی» (semiconductors) صورت می‌گیرد. الکترون‌ها در این مواد توسط انرژی خورشیدی آزاد می‌شوند و از طریق یک مدار الکتریکی، به دستگاه‌های الکتریکی برقی یا شبکه توزیع قدرت انتقال می‌یابند.

دستگاه‌های فوتوولتائیک برای تولید برق هر دستگاهی، از وسایل الکترونیکی با اندازه‌ی کوچک مثل ماشین‌حساب‌ها و تابلوهای روشنایی موجود در جاده‌ها گرفته، تا کسب و کارهای بزرگ تجاری می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. 

فناوری فوتوولتائیک به چه صورت کار می‌کند؟

برخورد فوتون‌ها و ماده نیمه‌هادی یونیزه روی صفحات خورشیدی، باعث می‌شود الکترون‌های خارجی، با شکست پیوندهای اتمی، آزاد شوند. به دلیل ساختار مواد نیمه‌هادی، الکترون‌ها مجبور به ایجاد موجی از جریان الکتریکی در یک جهت می‌شوند.

سلول‌های خورشیدی در نمودار انرژی سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی، دارای راندمان ۱۰۰ درصد نیستند. مقداری از طیف نور، منعکس می‌شود. مقداری از آن‌ مانند طیف «مادون قرمز» (infrared) به منظور استفاده برای تولید نور بسیار ضعیف و طیفی مانند «ماوراء بنفش» (ultraviolet) به جای تولید برق، انرژی گرمایی تولید می‌کند. به همین دلیل، می‌توان گفت سلول‌های خورشیدی دارای کارایی ۱۰۰ درصد نیستند.

برای ساخت یک سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی، قرص‌های سیلیکونی با خلوص بالا، با میزانی از مواد مختلف با یکدیگر ترکیب می‌شوند. ساختار ایجاد شده، مسیری را برای جریان الکتریکی، داخل و بین سلول‌های خورشیدی به وجود می‌آورد.

انواع مدل‌های فناوری فوتوولتائیک

دو مدل مهم دیگر از فناوری فوتوولتائیک، علاوه بر سلول‌های سیلیکون کریستالی (c-Si) وجود دارد.

• رشد فناوری فوتوولتائیک «فیلم نازک» (Thin-film PV) سریع است. اما این فناوری تنها قسمت کوچکی از بازار تجاری خورشیدی را به خود اختصاص داده است. بسیاری از شرکت‌های تولید کننده‌ی فیلم نازک، شروع به توسعه فناوری در سطح آزمایشگاهی کرده‌اند. این مدل عموما دارای راندمان کاری پایین اما غالبا ارزان‌تر از ماژول‌های C-Si است.
• در ایالات متحده، ابتدا آرایه‌های «متمرکز فوتوولتائیک» (concentrating PV) در بیابان‌های جنوب غربی شروع به رشد کرد. در این فناوری از لنزها و آینه‌ها برای منعکس کردن انرژی خورشیدی متمرکز به سلول‌های با کارایی بالا استفاده می‌کنند. برای بازدهی بیشتر این سیستم، باید نور خورشید به صورت مستقیم تابش کند. همچنین این واحد‌ها باید از سیستم‌های ردیابی نور خورشید مانند عمل‌کرد گل آفتاب‌گردان بهره ببرند.

تاریخچه‌ی فناوری فتوولتائیک

اوایل سال ۱۸۳۹، «الکساندر ادموند بکرل» (Alexandre Edmund Becquerel) اثر فتوولتائیک را مشاهده کرد. در ادامه این فناوری به موضوع تحقیقات علمی او از اوایل قرن بیستم تبدیل شد.

در سال ۱۹۵۴، آزمایشگاه «Bell» واقع در ایالت متحده، اولین دستگاه فوتوولتائیک خورشیدی را معرفی کرد. این دستگاه مقدار قابل استفاده‌ای از برق را تولید می‌کرد. تا سال ۱۹۵۸، سلول‌های خورشیدی در انواع کاربردهای علمی و تجاری در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار گرفت.

بحران‌های انرژی سال ۱۹۷۰، علاقه‌ی زیادی به استفاده از سلول‌های خورشیدی برای تولید برق مورد نیاز در مناطق مسکونی و تجاری در بین دولت‌مردان ایجاد کرد. اما قیمت‌های هنگفت (نزدیک ۳۰ برابر بیشتر از قیمت فعلی)، استفاده از این فناوری را برای کاربردی وسیع غیر عملی ساخته بود.

تحقیقات و تحولات صنعت در سال‌های بعد، ساخت دستگاه‌های فتوولتائیک را به شکل مقرون به صرفه میسر ساخت. چرخه‌ی افزایش تولید و کاهش هزینه‌ها به صورت پیوسته حتی تا به امروز ادامه دارد. 

هزینه‌‌ی سیستم‌های فتوولتائیک‌ خورشیدی

افت‌ شدید قیمت‌ها باعث شده است که خورشید بیشتر از همیشه مقرون به صرفه باشد. قیمت متوسط سیستم فتوولتائیک‌ تکمیل شده طی دهه‌ی گذشته، مطابق نمودار به میزان ۵۹ درصد کاهش یافته است.

سیستم‌های فتوولتائیک‌ مدرن

هنگامی که صنایع مقیاس تولید را افزایش دادند و فناوری تولید را با مواد جدید بهبود بخشیدند، قیمت فتوولتائیک‌ به طور چشمگیری کاهش یافت. هزینه‌های نصب نیز با کمک نصاب‌‌های آموزش دیده و باتجربه، پایین آمد.

با این حال، ایالات متحده هنوز سایر ملت‌ها را در راستای داشتن سیاست‌های ملی قوی برای جایگزینی خورشید به جای سوخت‌های فسیلی، حمایت می‌کند. در سطح جهانی، ایالات متحده چهارمین بازار بزرگ تاسیسات فتوولتائیک‌ را بعد از آلمان، ژاپن و اسپانیا در اختیار دارد. 

بیشتر سلول‌های خورشیدی مدرن از سیلیکون کریستال یا مواد نیمه‌هادی فیلم نازک ساخته می‌شوند. سلول‌های سیلیکونی در تبدیل نور خورشید به برق از انواع دیگر کارآمدتر هستند. اما به صورت عمومی هزینه‌های تولید بالایی دارند.

مواد فیلم نازک معمولا دارای کارایی پایین‌تری هستند. با این وجود تولید ساده‌تر و قیمت پایین‌تری دارند. یک دسته‌ی تخصصی از سلول‌های خورشیدی معروف به «سلول‌های چند رابطه یا پیوسته» (called multi-junction or tandem cells) در برنامه‌های کاربردی که نیاز به وزن بسیار کم و کارایی بسیار بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این دسته کاربردها می‌توان به تامین انرژی در ماهواره‌ها و مسائل نظامی اشاره کرد.

امروزه تمام انواع سیستم‌های فتوولتائیک‌ به طور گسترده در بسیاری از برنامه‌های کاربردی به بهره‌برداری می‌رسند.