سلول های خورشیدی

امروزه جمعیت جهان به طور فزاینده ای در حال افزایش است و همین امر مصرف انرژی بشر را به شدت افزایش داده است.

 به دلیل افزایش قیمت انرژی حاصل از فراورده های نفتی رو به پایان بودن منابع سوخت های فسیلی و آلودگی محیط زیست توجهات زیادی به منابع انرژی تجدید پذیر معطوف شده است

و کشورها را به سمت جایگزینی انرژیهای نو از جمله انرژی خورشیدی بجای سوختهای فسیلی سوق داده است. لذا تلاشهای علمی فراوانی برای استفاده از انرژی منابع تجدید پذیر صورت گرفته است.

 خورشید با یک ساعت تابش ۸/۳۱۰۲۳ کیلو وات انرژی تولید می کند که می تواند تقاضای انرژی مورد مصرف جهان را تامین نماید.

 به همین دلیل تحقیقات گسترده ای در زمینه یافتن مواد و طراحی سیستمهای جدیدی که بتوانند با بازدهی بالا انرژی خورشید را به دیگر انرژیهای مورد نیاز تبدیل کند در حال انجام است.

 با استفاده از سلولهای خورشیدی نور خورشید به کمک یک دیود نیمه هادی مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می شود تبدیل انرژی در سلول خورشیدی شامل جذب نور (فوتون) توسط یک نیمه هادی و در ادامه تولید زوج الکترون حفره و سپس جداسازی حاملهای بار در پیوندگاه p-n‏ برای تولید جریان الکتریکی می باشد.

بازدهی یک سلول خورشیدی عبارتست از درصدی از انرژی خورشیدی تابیده شده به سلول که به انرژی الکتریکی تبدیل شده است.

 در سلول های خورشیدی سلول های فوتوولتایی از نیمه هادیها برای تبدیل انرژی خورشید (نور) به الکتریسیته استفاده می کنند.

در نیمه هادی ها اگر فوتون های تابیده شده جذب گردند می توانند الکترونها را از لایه ظرفیت به لایه هدایت ببرند و باعث تولید جفت الکترون حفره اکسیتون شوند که بعد از جمع آوری حامل های تولید شده و جدا شدن حاملهای بار توسط پیوندگاه p-n جریان الکتریکی در سلول خورشیدی انتقال می یابد.

 به عبارتی تنها فوتون هایی که انرژی مساوی یا بیشتر از باند گپ گاف انرژی ماده نیمه رسانای سلول خورشیدی دارند قادر به رها کردن الکترون آزاد برای ایجاد جریان الکتریکی در مدار می باشند و می توانند در فرایند تبدیل انرژی شرکت کنند.

 اگر میزان انرژی فوتون بیشتر از انرژی باندگپ باشد آزادسازی الکترون اتفاق خواهد افتاد و انرژی اضافی به صورت گرما هدر به عنوان تلفات خواهد رفت که این امر باعث بالا رفتن دمای سلول خورشیدی خواهد شد.

 ضمنا اینکه فوتون های کم انرژی بدون جذب شدن عبور می کنند و مورد استفاده قرار نمی گیرند. ماکزیمم راندمان سلول خورشیدی وقتی است که سلول خورشیدی تمام رنج نور خورشید را که در محدوده باند گپ ماده قرار دارد جذب کند.

با این فرض که هیچ تلفاتی نداشته باشیم تلفات در سلولهای خورشیدی را می توان شامل تلفات حرارتی تلفات اپتیکی (نوری)، تلفات الکتریکی و سایر تلفات در نظر گرفت.

در حال حاضر با وجود کارآیی پایین سلول های خورشیدی سیلیکونی بازار سلول های خورشیدی به دلیل فراوانی سیلیکون در اختیار سلول های خورشیدی سیلیکونی می باشد.

تاکنون تحقیقات بسیار زیادی در مورد سلولهای خورشیدی سیلیکونی انجام گرفته و همچنان ادامه دارد.

 مشکل سلول های خورشیدی فعلی هزینه بالا گران بودن مواد و کارایی نسبتا کم آنها می باشد.

 لذا تلاشها و راهکارهای زیادی برای افزایش بازدهی سلولهای خورشیدی سیلیکونی و کاهش قیمت هزینه های تمام شده برای تولید سلولهای خورشیدی انجام می شود.

این تحقیقات در زمینه های مختلفی مانند خالص سازی سیلسیم استفاده از پوشش های ضد بازتاب روی سطح سلول، منسوج کردن و ایجاد ناهمواری روی سطح سلول بافت دار کردن سطح به کارگیری سطوح ناهموار برای کاهش بازتابش به دام اندازی نور برای جذب بیشتر نور، کاهش سطح اتصالات فلزی روی سلول ضخیم کردن سلول برای افزایش جذب فوتون ها و… در حال انجام می باشد.

می توان گفت که قسمت قابل توجه ی از نور تابیده شده به سلول خورشیدی بدلیل بازتاب از دست می رود و توسط سلول جذب نمی شود.

پوشش های ضد بازتاب با افزایش نور ورودی در ناحیه فعال سلول خورشیدی نقش مهمی را در بهبود عملکرد و افزایش بازدهی سلولهای خورشیدی سیلیکونی ایفا می کنند.

پوششهای ضد بازتاب با تله گذاری نور و بدام اندازی نور باعث افزایش طول مسیر عبور نور و افزایش ضریب جذب نور و در نتیجه افزایش زوج الکترون حفره و افزایش جریان می شوند.

در یک پوشش ضد بازتاب دو پارامتر ضریب شکست و ضخامت پوشش از بقیه پارامترها تعیین کننده ترمی باشند.

لایه نشانی ZnO  توسط روش سل ژل در سلول های خورشیدی

همان گونه که می دانیم کنترل پارامترهایی از قبیل دما pH غلظت واکنش دهنده ها نوع پایدارساز و نوع حلال که به پارامترهای سنتز موسوم هستند.

 در روش سل ژل از اهمیت ویژه ای برخودار هستند. در این پروژه برای محلول سازی از استات روی دو آبه به عنوان پیش ماده با حلالهای مختلفی از قبیل اتانول ایزوپروپیل الکل دو متوکسی اتانول و مخلوط هر کدام از هر حلال های فوق و همچنین از پایدارسازهای مختلفی مانند مونواتانول آمین ، دی اتانول آمین با زمان ماندگاری محلول به مدت ۱۰۳، ۱۲۸۵، ۱۴ ساعت استفاده شد.

همچنین برای لایه نشانی به روش اسپین گوتینگ در سرعت های متفاوت و زمانهای متفاوت لایه نشانی انجام شد. بعد از لایه نشانی به مدت چند دقیقه هوای گرم بطور دمشی توسط سشوار صنعتی بر روی نمونه در دماهای مختلف عبور داده شد.

سپس نمونه در دمای ۴۰۰-۵۰۰ درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت در کوره الکتریکی قرار داده شد.

شرایط لایه نشانی : ۲/۵ گرم استات روی با ۲۰ سی سی حلال دو متوکسی اتانول و ۱/۵ سی سی اتانول آمین در دمای ۵۰ درجه سانتیگراد به مدت ۱۰ دقیقه هم زده شد

 و بعد از گذشت ۸ ساعت زمان ماندگاری محلول توسط تکنیک اسپین گوتینگ با سرعت ۲۰۰rpm/min به مدت ۲۵ ثانیه لایه نشانی انجام شد.

 بعد از لایه نشانی نمونه به مدت ۱۰ الی ۱۵ دقیقه بطور دمشی توسط سشوار صنعتی در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد قرار داده شد. سپس نمونه در دمای ۲۷۰ درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت در کوره الکتریکی قرار داده شد.

 بعد از لایه نشانی بوسیله دستگاه پروب چهار نقطه ای مقاومت سطحی نمونه اندازه گیری شد.

نتیجه گیری سلول های خورشیدی

در این پژوهش لایه های نازک اکسید روی به عنوان پوشش ضد بازتاب با استفاده از روش سل ژل و تکنیک پوشش دهی چرخشی که روشی آسان کم هزینه و قابل تکرار می باشد.

 بر روی سیلیکون لایه نشانی شد و اثر آن بر روی بازدهی سلولهای خورشیدی مورد بررسی قرار گرفت با بررسیهای به عمل آمده مشخص شد لایه نازک 200 تشکیل شده

بر روی زیرلایه سیلیکون می تواند خاصیت ضد بازتاب خوبی از خود نشان دهد. نتایج نشان میدهد که سایز کریستالی نمونه های ZnO رشد داده شده بین ۳۰ تا ۵۰ نانومتر می باشد.

 و این موضوع میتواند حاکی از یک لایه نشانی یکنواخت باشد. همچنین نتایج حاکی از آن بود که ساختار ZnO هگزاگونالی بر روی لایه سیلیکون  n-typeبه خوبی رشد پیدا کرده

و همه سطح سیلیکون را پوشانده است و سطحی تقریبا صاف در ضخامتی حدود ۲۰۰ نانومتر ایجاد شده است.

 بنابراین لایه نازک Znd می تواند سبب افزایش جذب نور و در نتیجه افزایش نرخ تولید جفت الکترون حفره و به دنبال آن بالاتر رفتن میزان بازده سلول خورشیدی شود.

روند تولید جریان الکتریکی در سلولهای خورشیدی بر پایه تولید هر چه بیشتر جفت الکترون حفره استوار است.

 البته عوامل متعدد دیگری نیز در این فرایند دخیل هستند که جهت دستیابی به نمونه بسیار مطلوب می بایست همگی آنها را مورد تحلیل و بررسی قرار داد.

 نتایج نشان داد که مقاومت سطحی زیر لایه قبل از لایه نشانی 18001/0 و بعد از لایه نشانی به مقدار 290/0 رسیده است. همچنین راندمان سلول خورشیدی در غیاب لایه اکسید روی ۵/۲۲ درصد و در حضور لایه ضد بازتاب اکسید روی به مقدار ۱۰/۰۴ درصد رسیده است.

به عبارتی لایه نازک 20 با ساختار هگزاگونال می تواند به عنوان یک لایه ضد بازتاب خواص الکتریکی سلول خورشیدی را بهبود داده و باعث افزایش بازده سلول خورشیدی شود.

سلول های خورشیدی/سلول های خورشیدی/سلول های خورشیدی/سلول های خورشیدی