مترجم: احمد رازیانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
یوشی هیرو هاماکاوا
تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به برق از لحاظ فنی و اقتصادی پیشرفت سریعی داشته است. تا چند سال آینده، شاید نیروگاه‌های خورشیدی با قدرت‌هایی از مرتبة چندین مگاوات به کار رفته باشند.نیاز جهان به انرژی مسلماً طی دهه‌های آینده مدام افزایش خواهد یافت. هم‌چنین می‌توان پیش‌بینی کرد که تولیدکنندگان انرژی به ناچار با کمبود سوخت‌های فسیلی، و با مسائلی ناشی از آلایندگی این سوخت‌ها، و نیز با خطرهای احتمالی انرژی هسته‌ای مواجه خواهند بود؛ هر چند این پیش‌بینی ممکن است به دلیل تحولات احتمالی تکنولوژی قطبیت کامل نداشته باشد. یقیناً می‌توان انتظار داشت که یک منبع انرژی مبتنی بر سوختی تمام‌نشدنی و غیرآلاینده جایی برای خود باز کند. اکنون به نظر می‌رسد استفاده از چنین منبعی ـ به شکل سلول خورشیدی ـ که نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند ـ کاملاً ممکن شده باشد.
خودِ این فن جدید نیست؛ سلول‌های خورشیدی از آغاز عصر فضا برای فضاپیماها برق تهیه کرده‌اند و اکنون آنها را در بعضی کالاهای عمومی نظیر ماشین‌حساب و ساعت هم به کار می‌برند. جدید این است که تکنولوژی سلول‌های خورشیدی دارد به مرحله‌ای می‌رسد که امکان ساختن نیروگاه‌های میلیون‌واتیِ خورشیدی را فراهم کرده است. این پیشرفت ناشی از افزایش کارایی سلول‌ها در امر تبدیل نور خورشید به برق و کاهش هزینه ساخت آن‌هاست. در نتیجه بهای برق فوتوولتایی در دهة گذشته از واتی 50 دلار به کمتر از 5 دلار (وات قله) رسیده است. با پیشرفت‌های بعدی محتمل به نظر می‌رسد که تا شروع قرن آینده نیروگاه‌های بزرگ خورشیدی به کار افتاده باشند.
نام رسمی وسیله‌ای که اساس این تکنولوژی را تشکیل می‌دهد سلول فوتوولتایی است، تا به حال اساساً تمام این سلول‌ها از سیلیسیم بلورین ساخته می‌شده‌اند، ولی به این منظور مواد دیگری هم به کار گرفته شده و نتایج خوبی به بار آورده‌اند. از آن جمله نیم‌رساناهایی هستند که از آلیاژهایی نظیر مس ایندیم دی سلنید، کادمیم تلورید، و گالیم آرسنید ساخته شده‌اند.
مادة اصلی هرچه باشد؛ مراحلی که سلول طی آنها نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند اساساً یکسان است. نکتة اصلی، حرکت حامل‌های بار در نیم‌رساناست، زیرا برق (جریان الکتریکی) چیزی جز جریان این حامل‌ها در مدار نیست. این فرایند را می‌توان در یک سلول خورشیدی که از سیلیسیم بلورین ساخته شده است مشاهده کرد.
هر اتم سیلیسیم به طور عادی 14 الکترون دارد که چهار تا از آنها الکترون‌های ظرفیتند، یعنی می‌توانند با سایر اتم‌های سیلیسیم یا اتم‌هایی از عناصر دیگر برهم‌کنش داشته باشند. در بلور سیلیسیم خالص هر اتم یا چهار اتم دیگر پیوند دارد: این اتم با هریک از آن چهار اتم در 2 الکترون مشترک است که یکی متعلق به خودش و دیگری متعلق به اتم مجاور است.
این پیوند الکترواستاتیکی میان الکترون و در اتمی که به کمک این الکترون به یکدیگر مفید شده‌اند نسبتاً محکم است و می‌توان آن را با مقداری انرژی گسست. با وارد کردن مقدار مناسبی انرژی، الکترون با تراز انرژی‌ای به نام نوار‌رسانش می‌رود، که در آن‌جا می‌تواند آزادانه حرکت کند و در رسانش برق سهیم شود. در این انتقال، الکترون در پی خود "حفره" ای بر جای می‌گذارد؛ حفره به معنی محلی است که یک الکترون کم دارد. یکی از الکترون‌های مجاور می‌تواند این حفره را پر کند، یعنی جای خود را با حفره عوض کند. بنابراین هم الکترون‌ها و هم حفره‌ها می‌توانند در داخل بلور حرکت کنند.
یک سلول خورشیدی اساساً دیودی است با سطح زیاد. دیود در یک جهت جلوی عبور جریان (به شکل حامل‌های آزاد بار نظیر الکترون‌ها) را می‌گیرد و در یک جهت دیگر آن را تسهیل می‌کند. این خاصیت ناشی از حضور یک میدان الکتریکی ثابت در دیود است؛ این میدان به علت متفاوت بودن مواد در نیم‌رسانای تشکیل دهندة دیود ایجاد می‌شود. چنین میدانی حامل‌های یک نوع بار را در دیود به پیش میراند و حامل‌های با بار مخالف را پس می‌زند.
در سلول خورشیدی از همین پدیده بهره گرفته می‌شود. سلول با لایه‌هایی از نیم‌رساناهای متفاوت ساخته می‌شود تا در داخل آن میدان الکتریکی ثابتی، شبیه به میدان دیود، ایجاد شود. این میدان الکتریکی داخلی را تا حد امکان نزدیک به ناحیه‌ای است که در آن جا نور خورشید در سلول جذب می‌شود. نور خورشید حامل انرژی است (حدود 1000 وات بر هر متر مربع از سطحی که در معرض تابش است). هنگامی که فوتون‌های خورشیدی به یکی از نیم‌رساناهای سلول خورشیدی برخورد می‌کنند، ممکن است از آن باز بتابند، عبور کنند، و یا در آن جذب شوند. فوتون‌هایی که جذب شده‌اند، همان‌هایی هستند که بالقوه به درد می‌خورند.
فوتونی که در نیم‌رسانا جذب می‌شود، ممکن است در اثر برخورد با مادة نیم‌رسانا گرما ایجاد کند، و یا اینکه به قدر کافی انرژی داشته باشد که بتواند الکترونی را از یک حالت مقید بگسلد و آن را به حالتی آزاد در نوار رسانشِ ماده برساند. مثلاً، فوتونی با طول موج کمتر از 3ر1 میکرون وقتی در سیلیسیم جذب شود به اندازة کافی انرژی دارد که بتواند یک الکترون آزاد ایجاد کند.
رفتن الکترون به نوار رسانش، باعث ایجاد یک حفره می‌شود. حفره نمایانگر یک بار آزاد مثبت است که مثل یک بار آزاد منفی، ولی در جهت مخالف آن عمل می‌کند. اگر در نیم‌رسانای سیلیسیمی حفره‌ای وجود داشته باشد می‌تواند آزادانه حرکت کند، زیرا یک الکترون مقید مجاور می‌تواند به سهولت به مکان حفره بجهد، و در نتیجه حفره را به محل قبلی خود که خالی مانده است منتقل کند.
وقتی نور در یک نیم‌رسانا جذب می‌شود دو حامل آزاد به وجود می‌آورد؛ الکترون آزاد در نوار رسانش و حفرة آزاد در نوار ظرفیت. فرآیند مهم در تبدیل نور خورشید به جریان الکتریکی، توسط سلول خورشیدی، آن است که این حامل‌های آزاد در اثر میدان الکتریکی داخلی در جهت‌های مخالف رانده می‌شوند. برای مثال حفره‌ها و الکترون‌های نزدیک به میدان را در نظر می‌گیریم. فرض کنید جهت این میدان (نسبت به حامل‌های تولید شده) چنان است که عبور الکترون‌ها را تسهیل می‌کند و حفره‌ها را در خلاف جهت میراند. الکترون‌ها در میدان شتاب می‌گیرند و حفره‌ها نزدیک محل تولیدشان باقی می‌مانند. الکترون‌های آزادی که از میدان عبور کرده‌اند دیگر نمی‌توانند برگردند. زیرا میدان، که نظیر میدان دیود عمل می‌کند، مانع بازگشت آنها می‌شود.
بنابراین وقتی نور به سلول می‌تابد، تعداد فزاینده‌ای بارهای مثبت به سمت بالای سلول و بارهای منفی به طرف پایین آن، (و یا برعکس، بسته به نوع سلول) رانده می‌شود. اگر بالا و پایین سلول با یک رسانا به هم متصل شده یاشند، بارهای آزاد به صورت الکتریسیته از آن عبور خواهند کرد. تا وقتی که سلول در معرض تابش باشد، برق به طور دائم به شکل جریان مستقیم از آن عبور خواهد کرد.
در سلول‌های خورشیدی معمولی ماده‌ای نظیر شیشه یا پلاستیک به عنوان پایة سلول به کار می‌رود که آن را زیرلایه می‌نامند. روی این زیرلایه یک لایة رسانا نظیر یک فلز به عنوان اتصال پشتی، و روی آن نیم‌رسانای جاذب نور نشانده می‌شود. روی این نیم‌رسانا هم لایه‌ای از یک نیم‌رسانای دیگر، و یا نیم‌رسانایی از همان جنس ولی با تغییراتی قرار می‌گیرد. فصل مشترک دو نیم‌رسانا مکان میدان مهم داخلی است. نیم‌رسانای رویی معمولاً شفاف انتخاب می‌شود تا نور خورشید از آن عبور کند و هرچه نزدیک‌تر به ناحیة میدان الکتریکی جذب شود. به این ترتیب احتمال اینکه الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده به ناحیة میدان برسند و از یکدیگر جدا شوند افزایش می‌یابد.
