سلول خورشیدی (Solar Cell) به عنوان یک فتودیود بزرگ، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سلول خورشیدی (Solar Cell) به عنوان یک فتودیود بزرگ :
سلول خورشیدی (Solar Cell) یک دیود نیمه هادی با مساحت بسیار بزرگ است که نور خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. سلول خورشیدی در اصل یک فتودیود غول پیکر است که برای کار در حالت فتوولتائیک (Photovoltaic Mode) یعنی بدون بایاس (Zero Bias) طراحی شده است. هنگامی که نور به سلول می تابد، یک ولتاژ در دو سر آن ایجاد می شود و اگر به یک بار متصل شود، جریان DC تولید می کند.
ساختار سلول خورشیدی معمولا از نوع پیوند PN (PN Junction) با مساحت بزرگ است. لایه بالایی (امتیر) معمولا بسیار نازک و با دوپینگ بالا ساخته می شود تا نور بتواند به ناحیه تهی برسد. یک لایه ضد بازتاب (Anti-Reflection Coating) روی سطح برای کاهش بازتاب نور و افزایش جذب استفاده می شود. کنتاکت های فلزی (به صورت شبکه ای یا انگشتی) روی سطح و پشت سلول برای جمع آوری جریان تعبیه شده اند.
مکانیزم کار: فوتون های نور خورشید با انرژی بیشتر از گاف انرژی (Bandgap) نیمه هادی به سلول برخورد کرده و جفت الکترون-حفره تولید می کنند. این حامل ها توسط میدان الکتریکی داخلی ناحیه تهی از هم جدا می شوند: الکترون ها به سمت ناحیه N و حفره ها به سمت ناحیه P حرکت می کنند. این تجمع بار در دو سر سلول، یک ولتاژ (حدود ۰.۵-۰.۷ ولت برای سیلیکون) ایجاد می کند. با اتصال یک بار، جریان DC برقرار می شود.
پارامترهای مهم یک سلول خورشیدی عبارتند از: بازده تبدیل توان (Efficiency) که درصد توان نور خورشید تبدیل شده به توان الکتریکی است (معمولا ۱۵-۲۵٪ برای سلول های تجاری سیلیکونی)، ولتاژ مدار باز (Open-Circuit Voltage - V_oc)، جریان اتصال کوتاه (Short-Circuit Current - I_sc)، و ضریب پرشدگی (Fill Factor - FF). این پارامترها منحنی مشخصه I-V سلول را تعیین می کنند.
حداکثر توان خروجی سلول از رابطه
\[ P_{max} = V_{oc} \times I_{sc} \times FF \]به دست می آید. نقطه ای که سلول بیشترین توان را تحویل می دهد، نقطه حداکثر توان (Maximum Power Point - MPP) نامیده می شود. در سیستم های خورشیدی، از ردیاب های نقطه حداکثر توان (MPPT) برای تنظیم بار و دریافت حداکثر توان استفاده می شود.
مواد سازنده سلول خورشیدی عمدتا سیلیکون (Silicon) است (بیش از ۹۵٪ بازار). انواع سیلیکون شامل سیلیکون تک بلور (Monocrystalline) با بازده بالاتر، سیلیکون چندبلور (Polycrystalline) با بازده متوسط و هزینه کمتر، و سیلیکون آمورف (Amorphous) برای کاربردهای لایه نازک (Thin-Film) است. مواد دیگر شامل تلورید کادمیوم (CdTe)، سلنید گالیوم ایندیوم مس (CIGS)، و پروسکایت (Perovskite) برای سلول های نسل جدید هستند.
کاربرد اصلی سلول های خورشیدی در تولید برق تجدیدپذیر است. پنل های خورشیدی (شامل چندین سلول سری و موازی) روی پشت بام خانه ها، در نیروگاه های خورشیدی بزرگ، در فضاپیماها، و در دستگاه های قابل حمل (مانند چراغ های باغی، شارژرهای خورشیدی) استفاده می شوند.
سلول های خورشیدی چندپیوندی (Multi-Junction Solar Cells) که از چندین لایه نیمه هادی با گاف انرژی متفاوت تشکیل شده اند، می توانند بازده بسیار بالایی (بیش از ۴۰٪) داشته باشند. این سلول ها در کاربردهای فضایی و متمرکزکننده های خورشیدی (Concentrated Photovoltaics - CPV) استفاده می شوند.
سری معروف سلول های خورشیدی شامل محصولات شرکت هایی مانند SunPower، LG، REC، و Trina Solar است. پنل های خورشیدی با توان های مختلف (از چند وات تا چند صد وات) برای کاربردهای گوناگون در بازار موجود هستند.
یکی از چالش های سلول های خورشیدی، کاهش بازده با افزایش دما است. با افزایش دمای سلول، V_oc کاهش یافته و بازده افت می کند. بنابراین، تهویه مناسب پنل های خورشیدی برای دفع حرارت مهم است. همچنین سایه اندازی (Shading) روی پنل می تواند به شدت توان خروجی را کاهش دهد و برای کاهش این اثر از دیودهای بای پس (Bypass Diodes) در پنل استفاده می شود.
در نهایت، سلول خورشیدی به عنوان یک "فتودیود بزرگ" یکی از مهم ترین کاربردهای دیودهای نیمه هادی در زمینه انرژی های تجدیدپذیر است. با توجه به نیاز روزافزون جهان به انرژی پاک و تجدیدپذیر، اهمیت و نقش سلول های خورشیدی در تأمین برق آینده غیرقابل انکار است.
