برق فوتوولتایی - 2

آخرین بخش یک سلول معمولی، شبکة اتصال رویی آن است. اگر اتصال‌های رویی و زیری در یک مدار به هم وصل شوند، مدام که سلول در معرض نور باشد، برق قابل استفاده جریان خواهد یافت.
برای درک نحوة کار یک سلول خورشیدی خوب باید به چندی پدیدة دیگر هم توجه کرد. دو فرآیند، رانش و پخش، در تعیین نسبت حامل‌های آزاد در جریان، مؤثرند. حامل‌های آزاد توسط نوری تولید می‌شوند که یا در خارج و یا در داخل ناحیة باریک میدان جذب شده‌اند. حامل‌هایی که در داخل این ناحیه، که معمولاً عرض آن حدود 5ر0 میکرون است، تولید شده‌اند به خوبی در این میدان قوی از هم جدا می‌شوند. این حامل‌ها با سرعت زیاد به بالا و پایین سلول رانده می‌شوند، و این همان فرآیند رانش است.
فرآیند پخش به حامل‌‎هایی مربوط می‌شود که در خارج از ناحیة میدان به وجود آمده‌اند و با برخوردها و حرکت‌های کتره‌ای به اطراف می‌جهد. برای هر الکترون آزاد احتمال معینی هست که با میدان الکتریکی داخلی مواجه شود. در این صورت، الکترون به طرف دیگر سلول رانده می‌شود و می‌تواند در جریان الکتریکی شرکت کند. برای افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی، در طراحی آن‌ها سعی بر آن است که این احتمال هرچه بیشتر شود.
ضخامت یک سلول خورشیدی، و نیز تا حدود زیادی هزینة مواد اولیه و ساخت آن را توانایی سلول در جذب نور خورشید تعیین می‌کند. دو عامل مهم، یعنی ضریب جذب و گاف نواری، در جذب نور مؤثرند. گاف نواری یک نیم‌رسانا تراز انرژی مشخصی است که در آن، نیم‌رسانا شروع به جذب نور خورشید می‌کند. دلیل انتخاب موادی نظیر سیلیسیم و گالیم آرسنید که در سلول‌های خورشیدی به کار می‌روند، این است که آن‌ها جذب نور را در طول موج‌های بلند شروع می‌کنند، و بنابراین می‌توانند بخش اعظم نور قابل وصول خورشید را جذب کنند.
به‌علاوه برای نیم‌رساناهای مختلف، مناسب‌ترین ضخامت برای جذب نور خورشید متفاوت است. حدود این تغییر می‌تواند از 100 میکرون تا کمتر از یک میکرون باشد. سلول‌های خورشیدی موسوم به فیلم نازک از موادی ساخته شده‌اند که نور را در محدودة یک میکرونی جذب می‌کنند و امکان صرفه‌جویی قابل توجهی را در هزینة مواد و ساخت فراهم می‌آورند. (حدود 50 میکرون سیلیسیم بلورین همان مقدار نور خورشید را جذب می‌کند که سیلیسیم اریخت می‌تواند در یک میکرون و مس ایندیم دی سلنید می‌تواند در 1ر0 میکرون جذب کند.)
اختلاف در جذب مربوط به تفاوت‌هایی است که در ساختمان اتمی نیم‌رساناهای مختلف وجود دارد. بعضی از این مواد که نیم‌رسانا با گاف نواری مستقیم نامیده می‌شوند، جذب‌کننده‌هایی قوی‌اند، جذب در باقی مواد (با گاف نواری غیر مستقیم) ضعیف است. سیلیسیم بلورین یک نیم‌رسانا با گاف نواری غیر مستقیم است؛ در نیم‌رساناهای فیلم نازم نظیر سیلیسیم اریخت ایندیم دی سلنید، گاف نواری مستقیم است. در نوع غیر مستقیم برای بالا بردن الکترون ظرفیت به نوار رسانش دو پدیدة همزمان ضروری است: جذب نور، و برهم‌کنش مناسب با ارتعاش شبکه (که فوتون نامیده می‌شود). در مواد با گاف نواری مستقیم انرژی نور به تنهایی کافی است. اختلاف‌هایی که، در حد یک مرتبة بزرگی، در جذب نور توسط مواد مختلف مشاهده می‌شود ناشی از اختلافی است که میان احتمال رویداد یک پدیده و دو پدیدة همزمان وجود دارد.
در کار با سلول‌های خورشیدی مسئلة میزان نوری که از خورشید به زمین می‌رسد نیز مطرح است. آن سوی جو زمین، مقدار انرژی خورشیدی، که ثابت خورشید نامیده می‌شود، 1358 وات بر مترمربع است. زمانی که نور خورشید به سطح دریا می‌رسد، در اثر جذب انرژی خورشی توسط بخار آب، میزان ازن (o2) و کربن دی‌اکسید ورودی به حدود 1000 وات بر مترمربع کاهش می‌یابد. انرژی خورشیدی در سطح زمین اساساً در گسترة طول موج‌های 2ر0 تا 5ر2 میکرون واقع است؛ و ماکزیمم انرژی در فاصلة 5ر0 تا 55ر0 میکرون است، که در حدود طول موج رنگ سبز برگ‌هاست.
بازده سلول خورشیدی را دو عامل تعیین می‌کنند: یکی طیف انرژی در ناحیة جذب اپتیکی در سطح فعال نیم‌رسانا، و دیگری در عمق پیوند n ـ p (فصل مشترک لایه‌ای که گرد آورندة بارهای مثبت با حفره‌هاست، یا لایه‌ای که گرد آورندة بارهای منفی با الکترون‌هاست) که از سطح رو به خورشید اندازه‌گیری می‌شود. نمونه‌ای از بازدهی که می‌توان از سلول خورشیدی انتظار داشت در یک سلول سیلیسیم بلورین دیده می‌شود. چنین سلولی در محدوده‌ای از حدود 35ر0 میکرون تا حدود 1ر1 میکرون که تقریباً تمام طیف مرئی و قسمتی از فروسرخ را شامل می‌شود به نور حساس است. به علت اتلاف‌های ناشی از عوامل مختلف از قبیل گرما، بازتابش، و فوتون‌هایی که در نیم‌رسانا جذب نشده‌اند، حد نظری کارایی سلول‌ سیلیسیم در تبدیل نور خورشید به برق حدود 28 درصد است. افت‌های دیگر در داخل سلول به معنی آن است که بازده عملی کمتر از حد نظری است.
معمولاً گفته می‌شود بازده تبدیل سلول خورشیدی کمتر از نصف بازده سیستم‌های مولدی است که بر پایة نیروی هسته‌ای یا سوخت فسیلی کار می‌کنند. اما این مقایسة درستی نیست. یک توربین بخار که نفت می‌سوزاند، با بازده 38 درصد، 62 درصد از این سوخت گران‌بها را هدر می‌دهد. (در واقع، خود این سوخت هم حاصل فرایندهایی است که وابسته به نور خورشید و بسیار کم‌‌بهره‌تر از سلول خورشیدی‌اند.) به‌علاوه، انرژی تولید شده باعث آلودگی گرمایی، باران اسیدی، و آلودگی جو می‌شود. از طرف دیگر، حتی اگر بازده یک نیروگاه خورشیدی در تبدیل نور خورشید به برق تنها 10 درصد باشد، در واقع انرژی بی‌هزینه‌ای را به مصرف رسانده که در غیر این صورت هیچ استفاده‌ای از آن نمی‌شد.
این گفته به این معنی نیست که تلاش برای افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی ضرورتی ندارد. هر افزایشی در این کارایی منجر به کاهشی در هزینة تولید برق در نیروگاه‌های خورشیدی می‌شود. به همین علت موارد بسیاری از پژوهش‌ها و طرح‌ریزها برای تکنولوژی‌های مربوط در جهت افزایش بازده تبدیل (نور خورشید به برق) است تا برق بیشتری تولید شود.
یک مرحلة بدیهی ولی مهم، استفاده از یک پوشش ضد بازتابش در سطح بالایی سلوا اغست تا میزان بازتابش نور کم شود، و در نتیجه فوتون‌های بیشتری بتوانند به پیوند n ـ p نفوذ کنند. افت ناشی از بازتابش در یک سلول بی‌پوشش می‌تواند به 30 درصد برسد. راه دیگر به کار گرفتن تکنولوژی مشهور به میدان سطح پشتی است. در این تکنولوژی در سطح پشتی نیم‌رسانا یک میدان الکتریکی ایجاد می‌شود تا حامل‌های آزاد را که حرکت کره‌ای دارند به عقب یعنی به سمت پیوند n ـ p راند، و جداسازی الکترون‌ها و حفره‌ها بهتر شود. با چنین کوشش‌هایی بازده سلول‌های خورشیدی بلورین (در تولید انبوه) فعلاً به حدود 14 درصد رسیده است.
اخیراً برای سلول‌‎های فوتوولتایی چندین مادة جدید تهیه شده است. یکی از مهم‌ترین آن‌ها سیلیسیم اریخت (Si ـ a) است که ساختار شبکه‌ای منظم سیلیسیم بلورین را ندارد. ساختار اریخت احتمال جذب نور و رفتن الکترون به نوار رسانش را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. پس این ماده از لحاظ جذب نور به مراتب بهتر از سیلیسیم بلورین است. بنابراین می‌توان آن را به شکل نیم‌رسانای پوسة نازک ساخت (به ضخامت 5ر0 میکرون در مقایسه با بیش از 300 میکرون برای سیلیسیم بلورین). سلول‌های پوسة نازک به دلیل کمتر بودن موادشان هرینة کمتری دارند.