سلول خورشیدی و سلول فتوولتایک

اصول کار سلول فتوولتائیک

تبدیل انرژی نور به انرژی الکتریکی بر اساس پدیده ای به نام اثر فتوولتائیک است. هنگامی که مواد نیمه هادی در معرض نور قرار می گیرند، برخی از فوتون های نور توسط کریستال نیمه هادی جذب می شوند که باعث ایجاد تعداد قابل توجهی الکترون آزاد در کریستال می شود. این دلیل اصلی تولید برق به دلیل اثر فتوولتائیک است. سلول فتوولتائیک واحد اصلی سیستم است که در آن از اثر photovoltaic برای تولید برق از انرژی نور استفاده می شود. در ادامه با ما در وبلاگ آداک، شرکت سازنده تابلو برق صنعتی در ایران همراه باشید تا در این باره بیشتر بدانید.

کاربرد سیلیکون در سلول فتوولتائیک

سیلیکون پرکاربردترین ماده نیمه هادی برای ساخت سلول فتوولتائیک است. اتم سیلیکون دارای چهار الکترون ظرفیتی است. در یک بلور جامد، هر اتم سیلیکون هر یک از چهار الکترون ظرفیت خود را با نزدیک‌ترین اتم سیلیکون دیگر به اشتراک می‌گذارد، بنابراین پیوندهای کووالانسی بین آنها ایجاد می‌شود. به این ترتیب، کریستال سیلیکون ساختار شبکه چهار وجهی پیدا می کند. در حالی که پرتو نور به هر ماده ای برخورد می کند، بخشی از نور منعکس می شود، بخشی از آن از طریق مواد منتقل می شود و بقیه توسط مواد جذب می شود.

مکانیزم تولید انرژی از سلول فتوولتائیک

هنگامی که نور بر روی یک کریستال سیلیکون می افتد، همین اتفاق می افتد. اگر شدت نور فرودی به اندازه کافی زیاد باشد، تعداد کافی فوتون توسط کریستال جذب می شود و این فوتون ها به نوبه خود برخی از الکترون های پیوندهای کووالانسی را تحریک می کنند. سپس این الکترون های برانگیخته انرژی کافی برای مهاجرت از باند ظرفیتی به نوار رسانایی دریافت می کنند. از آنجایی که سطح انرژی این الکترون ها در نوار رسانایی است، از پیوند کووالانسی خارج می شوند و در پشت هر الکترون حذف شده، سوراخی در پیوند ایجاد می کنند. این ها الکترون های آزاد نامیده می شوند که به طور تصادفی در داخل ساختار بلوری سیلیکون حرکت می کنند.

همچنین بخوانید: آشنایی با نیروگاه خورشیدی 

الکترون ها و حفره ها در سیلیکون

این الکترون ها و حفره های آزاد نقش حیاتی در ایجاد الکتریسیته در سلول فتوولتائیک دارند. از این رو این الکترون ها و حفره ها به ترتیب الکترون ها و حفره های تولید شده توسط نور نامیده می شوند. این الکترون ها و حفره های تولید شده از نور نمی توانند به تنهایی در کریستال سیلیکون الکتریسیته تولید کنند بلکه باید مکانیسم دیگری برای انجام این کار وجود داشته باشد.

افزودن اتم 5 ظرفیتی به سیلیکون

هنگامی که یک ناخالصی پنج ظرفیتی مانند فسفر به سیلیکون اضافه می شود، چهار الکترون ظرفیتی هر اتم فسفر پنج ظرفیتی از طریق پیوندهای کووالانسی با چهار اتم سیلیکون همسایه به اشتراک گذاشته می شود و الکترون ظرفیت پنجم هیچ شانسی برای ایجاد پیوند کووالانسی ندارد. حتی در دمای اتاق، انرژی حرارتی موجود در کریستال به اندازه‌ای بزرگ است که این الکترون‌های پنجم نسبتاً سست را از اتم فسفر اصلی خود جدا کند. در حالی که این پنجمین الکترون نسبتا شل از اتم فسفر مادر جدا شده است، اتم فسفر یون های مثبت بی حرکت است. الکترون تفکیک شده مذکور آزاد می شود اما هیچ پیوند کووالانسی ناقص یا سوراخی در کریستال ندارد تا دوباره مرتبط شود.

نیمه هادی نوع n

این الکترون‌های آزاد از ناخالصی پنج ظرفیتی به دست می‌آیند و همیشه آماده هدایت جریان در نیمه‌رسانا هستند. اگرچه تعدادی الکترون آزاد وجود دارد، اما هنوز این ماده از نظر الکتریکی خنثی است زیرا تعداد یون‌های فسفر مثبت قفل شده در ساختار بلوری دقیقاً برابر است با تعداد الکترون‌های آزاد که از آنها خارج می‌شوند. فرآیند وارد کردن ناخالصی ها در نیمه هادی به عنوان دوپینگ شناخته می شود و ناخالصی هایی که دوپ می شوند به عنوان ناخالصی شناخته می شوند. ناخالصی های پنج ظرفیتی که پنجمین الکترون آزاد خود را به کریستال نیمه هادی اهدا می کنند به عنوان دهنده شناخته می شوند. نیمه هادی هایی که توسط ناخالصی های دهنده دوپ می شوند به عنوان نیمه هادی نوع n یا نوع منفی شناخته می شوند زیرا تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد که توسط طبیعت بار منفی دارند.

پیشنهاد مطالعه بیشتر: توربین گازی چیست؟

افزودن اتم 3 ظرفیتی به سلیکون

هنگامی که به جای اتم های فسفر پنج ظرفیتی، اتم های ناخالصی سه ظرفیتی مانند بور به یک کریستال نیمه هادی در مقابل نوع نیمه هادی اضافه می شود، ایجاد می شود. در این حالت، برخی از اتم‌های سیلیکون در شبکه کریستالی با اتم‌های بور جایگزین می‌شوند، به عبارت دیگر، اتم‌های بور موقعیت‌های اتم‌های سیلیکون جایگزین شده را در ساختار شبکه اشغال می‌کنند. سه الکترون والانس اتم بور با الکترون والانس سه اتم سیلیکون همسایه جفت می شوند تا سه پیوند کووالانسی کامل ایجاد کنند.

 

برای این پیکربندی، برای هر اتم بور یک اتم سیلیکون وجود خواهد داشت که الکترون چهارم ظرفیت آن هیچ الکترون والانسی همسایه ای برای تکمیل چهارمین پیوند کووالانسی خود پیدا نمی کند. از این رو این چهارمین الکترون ظرفیتی این اتم های سیلیکون جفت نشده باقی می ماند و مانند پیوند ناقص رفتار می کند. بنابراین کمبود یک الکترون در پیوند ناقص وجود خواهد داشت و از این رو پیوند ناقص همیشه الکترون را برای رفع این کمبود جذب می کند. به این ترتیب، جای خالی الکترون برای نشستن وجود دارد. این جای خالی از نظر مفهومی سوراخ مثبت نامیده می شود.

نیمه هادی نوع p

در یک نیمه هادی سه ظرفیتی دوپ شده با ناخالصی، تعداد قابل توجهی از پیوندهای کووالانسی به طور مداوم شکسته می شوند تا سایر پیوندهای کووالانسی ناقص تکمیل شوند. هنگامی که یک پیوند شکسته می شود، یک سوراخ در آن ایجاد می شود. هنگامی که یک پیوند کامل می شود، سوراخ در آن ناپدید می شود. به این ترتیب، به نظر می رسد که یک سوراخ سوراخ دیگر همسایه را ناپدید می کند. چنین سوراخ هایی در داخل کریستال نیمه هادی حرکت نسبی دارند. با توجه به آن، می توان گفت که حفره ها نیز می توانند آزادانه به عنوان الکترون های آزاد در داخل کریستال نیمه هادی حرکت کنند. از آنجایی که هر یک از حفره ها می توانند یک الکترون را بپذیرند، ناخالصی های سه ظرفیتی به عنوان ناخالصی پذیرنده و نیمه هادی های دوپ شده با ناخالصی پذیرنده به عنوان نیمه هادی نوع p یا نوع مثبت شناخته می شوند.

تفاوت نیمه هادی نوع n و نوع p

در نیمه هادی های نوع n عمدتاً الکترون های آزاد حامل بار منفی هستند و در نیمه هادی های نوع p عمدتاً سوراخ ها به نوبه خود بار مثبت را حمل می کنند بنابراین الکترون های آزاد در نیمه هادی های نوع n و حفره های آزاد در نیمه هادی های نوع p در نوع n حامل اکثریت نامیده می شوند. 

تولید الکتریسیه با نیمه های n و p

همیشه یک مانع بالقوه بین مواد نوع n و نوع p وجود دارد. این مانع بالقوه برای کار یک سلول فتوولتائیک یا خورشیدی ضروری است. در حالی که نیمه هادی های نوع n و نیمه هادی های نوع p با یکدیگر تماس دارند، الکترون های آزاد نزدیک به سطح تماس نیمه هادی نوع n دارای حفره های زیادی از مواد نوع p هستند. از این رو الکترون های آزاد در نیمه هادی نوع n نزدیک به سطح تماس آن به سوراخ های مجاور مواد نوع p می پرند تا دوباره ترکیب شوند. نه تنها الکترون‌های آزاد، بلکه الکترون‌های ظرفیتی از مواد نوع n نزدیک سطح تماس نیز از پیوند کووالانسی بیرون می‌آیند و با حفره‌های نزدیک بیشتری در نیمه‌رسانای نوع p ترکیب می‌شوند. با شکسته شدن پیوندهای کووالانسی، تعدادی سوراخ در مواد نوع n نزدیک سطح تماس ایجاد می شود. از این رو، در نزدیکی منطقه تماس، سوراخ ها در مواد نوع p به دلیل نوترکیب ناپدید می شوند، از سوی دیگر سوراخ ها در مواد نوع n نزدیک همان منطقه تماس ظاهر می شوند.

مهاجرت حفره ها از p به n

این به این ترتیب معادل مهاجرت سوراخ ها از نوع p به نیمه هادی نوع n است. بنابراین به محض تماس یک نیمه هادی نوع n و یک نیمه هادی نوع p، الکترون های نوع n به نوع p و حفره های نوع p به نوع n منتقل می شوند. این روند بسیار سریع است اما برای همیشه ادامه نمی یابد. پس از مدتی، یک لایه بار منفی (الکترون های اضافی) در نیمه هادی نوع p در مجاورت تماس در امتداد سطح تماس وجود خواهد داشت. به طور مشابه، یک لایه بار مثبت (یون های مثبت) در نیمه هادی نوع n در مجاورت تماس در امتداد سطح تماس وجود خواهد داشت.

همچنین ببینید: تابلو برق عایق هوا چیست؟

ضخامت این لایه بار منفی و مثبت تا حدی افزایش می یابد، اما پس از آن، دیگر الکترونی از نیمه هادی نوع n به نیمه هادی نوع p مهاجرت نخواهد کرد. این به این دلیل است که، در حالی که هر الکترونی از نیمه هادی نوع n سعی می کند روی نیمه هادی نوع p مهاجرت کند، با یک لایه به اندازه کافی ضخیم از یون های مثبت در خود نیمه هادی نوع n روبرو می شود که بدون عبور از آن سقوط می کند. به طور مشابه، سوراخ ها دیگر از نوع p به نیمه هادی نوع n مهاجرت نمی کنند. حفره ها هنگام تلاش برای عبور از لایه منفی در نیمه هادی نوع p، با الکترون ها ترکیب می شوند و دیگر حرکتی به سمت ناحیه نوع n وجود نخواهد داشت.

لایه تخلیه 

به عبارت دیگر، لایه بار منفی در سمت نوع p و لایه بار مثبت در سمت نوع n با هم مانعی را تشکیل می‌دهند که با مهاجرت حامل‌های بار از یک سمت به سمت دیگر مخالفت می‌کند. به طور مشابه، سوراخ‌های ناحیه نوع p از ورود به منطقه نوع n جلوگیری می‌کنند. به دلیل لایه باردار مثبت و منفی، میدان الکتریکی در سراسر منطقه وجود خواهد داشت و این ناحیه را لایه تخلیه می نامند.

فعل و انفعالات کریستال سیلیکون 

حالا بیایید به کریستال سیلیکون برسیم. هنگامی که پرتو نور به کریستال برخورد می کند، بخشی از نور توسط کریستال جذب می شود و در نتیجه، برخی از الکترون های ظرفیت برانگیخته می شوند و از پیوند کووالانسی خارج می شوند که منجر به جفت الکترون-حفره آزاد می شود. اگر نور به نیمه‌رسانای نوع n برخورد کند، الکترون‌های چنین جفت‌های الکترون-حفره‌ای که با نور تولید می‌شوند، قادر به مهاجرت به ناحیه p نیستند، زیرا به دلیل دفع میدان الکتریکی در سراسر لایه تخلیه، قادر به عبور از سد پتانسیل نیستند. در عین حال، حفره های تولید شده توسط نور به دلیل جاذبه میدان الکتریکی لایه تخلیه از ناحیه تخلیه عبور می کنند و در آنجا با الکترون ها ترکیب می شوند و سپس کمبود الکترون در اینجا با الکترون های ظرفیت ناحیه p جبران می شود و این باعث می شود به تعداد سوراخ در ناحیه p. به این ترتیب، حفره‌های تولید شده از نور به ناحیه p منتقل می‌شوند، جایی که به دام می‌افتند، زیرا هنگامی که به منطقه p می‌آیند، به دلیل دفع مانع بالقوه، نمی‌توانند به منطقه نوع n برگردند.

از آنجایی که بار منفی (الکترون های تولید شده از نور) در یک طرف و بار مثبت (حفره های تولید شده از نور) در طرف مقابل یک سلول به دام افتاده است، بین این دو طرف سلول اختلاف پتانسیل وجود خواهد داشت. این اختلاف پتانسیل معمولاً 0.5 ولت است. اینگونه است که سلول های فتوولتائیک یا سلول های خورشیدی اختلاف پتانسیل تولید می کنند.

ساخت و تولید انواع تابلو برق با فناوری روز دنیا 

آیا می دانید آداک در راستای ارائه جدیدترین فناوری ها در صنعت تابلو برق، طیف وسیعی از محصولات را طراحی و تولید می کند؟ برای آشنایی بیشتر با راهکارهای حرفه ای آداک در این زمینه و دریافت مشاوره جهت طراحی و ساخت تابلو برق فشار ضعیف و تابلو برق فشار متوسط برای پروژه صنعتی یا مسکونی خود، هم اکنون با کارشناسان ما تماس بگیرید.

دفتر مرکزی: کرج، عظیمیه. بلوار 45 متری کاج، پلاک 199، واحد 1 و 3

تلفن: 02634156000

ایمیل: info@adakbn-co.com

دفتر تهران: بزرگراه اشرفی اصفهانی، خیابان مخبری، پلاک 10 واحد 6

تلفن: 02144491255

ایمیل: sales@adakbn-co.com

کارخانه: شهرک صنعتی صفادشت، بلوار فروردین، خیابان فروردین نهم غربی، پلاک 104

تلفن: 02634156000