در دنیای معاصر، جایی که نگرانی ها در مورد پایداری محیط زیست و امنیت انرژی وجود دارد، نقش سلول های خورشیدی به طور فزاینده ای قابل توجه شده است. سلول های خورشیدی که به سلول های فتوولتائیک نیز معروف هستند، نور خورشید را مهار کرده و آن را به الکتریسیته تبدیل می کنند و یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر را فراهم می کنند. در این مقاله به معرفی اهمیت سلول خورشیدی در زندگی خود می پردازیم.
سلول خورشیدی چیست؟ (انواع سلول های خورشیدی)
سلول خورشیدی که به عنوان سلول فتوولتائیک نیز شناخته می شود، وسیله ای است که نور خورشید را از طریق اثر فتوولتائیک به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این فرآیند شامل تولید جریان الکتریکی زمانی است که مواد خاصی در معرض نور خورشید قرار می گیرند. سلول های خورشیدی اجزای اساسی پانل های خورشیدی هستند که به طور گسترده برای مهار انرژی خورشیدی برای کاربردهای مختلف از جمله تولید برق استفاده می شوند.
بلوک اصلی ساختمان یک سلول خورشیدی مواد نیمه رسانا است. نیمه رسانا ها دارای خاصیت منحصر به فردی هستند که می توانند فوتون ها را که ذرات نور هستند جذب کرده و الکترون ها را آزاد کنند. سیلیکون به دلیل فراوانی و خواص الکتریکی مطلوب، متداول‌ترین ماده نیمه‌رسانا در سلول‌های خورشیدی است که پنل های خورشیدی را برای دوام بیشتر آماده می کند.
مکانیسم کلیدی پشت عملکرد سلول خورشیدی اثر فتوولتائیک است. هنگامی که فوتون های نور خورشید به سطح یک سلول خورشیدی برخورد می کنند، انرژی خود را به الکترون های موجود در مواد نیمه رسانا منتقل می کنند. این انرژی الکترون ها را تحریک می کند و باعث می شود که آنها از پیوندهای اتمی خود جدا شوند و جریان الکتریکی ایجاد کنند. حرکت این الکترون ها جریان الکتریکی را تشکیل می دهد که می تواند برای اهداف مختلف مهار شود.
سلول های خورشیدی بر اساس مواد و ساختارشان به چند نوع طبقه بندی می شوند. رایج ترین نوع سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی است که به دو شکل مونو کریستالی و پلی کریستالی وجود دارد. سلول های تک کریستالی از یک ساختار تک کریستالی ساخته می شوند که کارایی بالاتری را ارائه می دهند، در حالی که سلول های پلی کریستالی از ساختارهای کریستالی متعددی تشکیل شده اند که کارایی کمتری دارند اما مقرون به صرفه تر هستند.
نوع دیگر سلول های خورشیدی لایه نازک هستند که از لایه های نازکی از مواد نیمه رسانا برای جذب نور خورشید استفاده می کنند. فناوری‌های لایه نازک مانند سیلیکون آمورف، تلورید کادمیوم و سلنید گالیم ایندیم مس، انعطاف‌پذیرتر و سبک‌تر از سلول‌های سیلیکونی کریستالی هستند و برای کاربردهای خاص مناسب‌تر هستند. سلول های خورشیدی آلی، بر اساس مواد آلی (حاوی کربن)، نشان دهنده یک فناوری جدیدتر و در حال ظهور است. این سلول ها انعطاف پذیر، سبک وزن هستند و پتانسیل ساخت کم هزینه را دارند. در حالی که کارایی آنها در حال حاضر کمتر از سلول های خورشیدی سنتی است، تحقیقات در حال انجام با هدف بهبود عملکرد آنها است.
سلول های خورشیدی معمولاً برای تشکیل به هم متصل می شوند. پانل های خورشیدی قابل حمل یا ماژول ها این پانل ها را می توان در سیستم های مختلف مانند تاسیسات مسکونی و تجاری پشت بام، مزارع خورشیدی و دستگاه های قابل حمل ادغام کرد. الکتریسیته تولید شده را می توان مستقیماً استفاده کرد، در باتری ها برای استفاده بعدی ذخیره کرد یا به شبکه برق تغذیه کرد. بازده سلول‌های خورشیدی در طول سال‌ها بهبود یافته است که به دلیل پیشرفت در علم مواد، فرآیندهای تولید و تحقیقات انجام شده است. با این حال، چالش‌ها از جمله هزینه تولید، ذخیره‌سازی انرژی و مسائل متناوب مرتبط با انرژی خورشیدی همچنان باقی است.
چرا سلول های خورشیدی فقط الکتریسیته DC تولید می کنند؟
هنگامی که فوتون های نور خورشید به مواد نیمه رسانا برخورد می کنند، انرژی خود را به الکترون های موجود در اتم های ماده منتقل می کنند و باعث می شوند که این الکترون ها برانگیخته شده و از موقعیت های معمول خود رها شوند. این باعث ایجاد جفت الکترون حفره می شود، جایی که الکترون های آزاد شده و حفره های مثبت حاصل در جهات مخالف حرکت می کنند.
برای مهار انرژی الکتریکی تولید شده، سلول خورشیدی یک میدان الکتریکی داخلی را در خود جای داده است. این میدان الکترون ها و حفره های جدا شده را به طرف طرف مقابل سلول هدایت می کند. مواد نیمه رسانا عمداً دوپ می شوند تا یک اتصال pn ایجاد شود و یک مسیر یک طرفه برای حرکت حامل های بار تشکیل شود. الکترون ها در سلول حرکت می کنند و جریان الکتریکی ایجاد می کنند.
ماهیت اتصال pn و میدان الکتریکی داخلی به طور ذاتی منجر به تولید جریان مستقیم می شود. این به این دلیل است که میدان الکتریکی فقط به الکترون‌ها اجازه می‌دهد در یک جهت، از سمت نوع n (با بار منفی) به سمت نوع p (با بار مثبت) حرکت کنند. جریان حاصل از الکترون ها یک جریان یک طرفه را تشکیل می دهد که مشخصه جریان مستقیم است.
در حالی که سلول های خورشیدی برق DC تولید می کنند، بسیاری از برنامه ها و دستگاه ها در زندگی روزمره ما از جریان متناوب (AC) استفاده می کنند. بنابراین، اینورترها معمولاً در سیستم‌های انرژی خورشیدی استفاده می‌شوند تا الکتریسیته DC تولید شده توسط سلول‌های خورشیدی را به AC تبدیل کنند و آن را با شبکه برق و وسایل مختلف سازگار کنند.
همانطور که ما در چالش های دنیایی که به سرعت در حال تغییر است، پیمایش می کنیم، پذیرش و گسترش استفاده از سلول های خورشیدی نه تنها یک گزینه بلکه یک ضرورت است. گذار به آینده ای با انرژی خورشیدی یک عنصر کلیدی در ساخت جهانی پایدارتر و انعطاف پذیرتر برای نسل های فعلی و آینده است.
