فتوالکتریک (فتوولتائیک)

در حالی که سوخت های فسیلی همچنان منبع غالب انرژی اولیه در جهان است نگرانی ها در مورد تغییرات آب و هوا، همراه با قیمت بالای انرژی علاقه به بهره برداری از انرژی های تجدید پذیر را تقویت کرده است. بر خلاف سوخت های فسیلی که به سرعت رو به اتمام هستند منابع انرژی تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی به طور طبیعی بازسازی شده و در نتیجه پایدار هستند. انرژی فتوالکتریک (فتوولتائیک) نمونه ای از انرژی تجدیدپذیر میباشد. در ادامه این مجله به تعریف و توضیحات این پدیده خواهیم پرداخت.

در حال حاضر تنها حدود 18 درصد از تقاضای انرژی جهان از منابع انرژی تجدیدپذیر فراهم میشود. با این حال پتانسیل بسیار خوبی برای افزایش این سهم وجود دارد. تخمین زده شده است که پتانسیل واقعی انرژی تجدید پذیر بیش از 18 برابر تقاضای انرژی اولیه جهانی است. این مقدار به علت محدودیت های اقتصادی و زیست محیطی در عمل دست یافتنی نیست. خورشید کره ای از مواد گازی به شدت داغ با قطر 1.39x9e10 است که حدود 1.5x8e10 کیلومتر از زمین فاصله دارد. خورشید دارای یک دمای وثر جسم سیاه 5760 کلوین می باشد.

فن آوری تبدیل انرژی خورشید

شماتیکی از سیستم های انرژی حرارتی خورشیدی و فتوولتاییک

پیشینه فتوالکتریک (فتوولتائیک):

• اثر فتوولتائیک در سال 1839 توسط دانشمند فرانسوی ادموند بوکرل مشاهده شد اما تا زمان توسعه تئوری کوانتوم نور و فیزیک حالت جامد در اواسط دهه 1900 قابل درک نبود.

• اولین سلول خورشیدی را در سال 1883 چارلز فیتس از نیمه هادی سلنیوم با پوششی نازک از طلا ساخت که راندمانی حدود یک درصد داشت.
•  ساخت مبدل فتوولتائیک و سلول های سیلیکانی با راندمان بالا را ابتدا در سال 1954 آزمایشگاه های تلفن بل گزارش کردند.

تعریف فتوالکتریک (فتوولتائیک):

• فتوولتائیک از دو کلمه تشکیل شده است: کلمه یونانی فتو به معنی نور و کلمه ولتائیک که به معنی الکتریسیته می باشد.

اثر فتوالکتریک (فتوولتائیک):

• اثر فتوالکتریک یک پدیده الکترونیک کوانتم است که در آن یک ماده، پس از جذب انرژی از تشعشعات الکترومغناطیس (مانند اشعه x یا نور)، الکترون آزاد میکند.
  کشف این اثر و به تبع آن اثر فتوالکتریک پیش زمینه های ساخت سلولهای خورشیدی شدند.
• یک سلول خورشیدی یا فتوسل ابزاری است که انرژی خورشیدی را به کمک اثر فتوولتائیک به الکترسیته تبدیل میکند.

مزایای استفاده از سیستم های فتوالکتریک (فتوولتائیک):

• تبدیل مستقیم انرژی تابشی به انرژی الکتریکی
  
• عدم نیاز به مصرف سوخت فسیلی و یا شبکه سراسری برق
  
• عدم ایجاد آلودگی صوتی و زیست محیطی
  
• قابلیت تولید در محل مصرف با توان های مختلف، متناسب با نیاز مصرف کننده
  
• سهولت در نصب، راه اندازی و بهره برداری
• امکان نصب بر نما و یا روی سقف خانه ها و توانایی ذخیره سازی انرژی در باطری
  
• تامین انرژی الکتریکی نقاط دور افتاده، خارج از شبکه سراسری برق و صعب العبور
  
• طول عمر مناسب و قابلیت اعتماد بالا
  
• قدرت خروجی نسبتا بالا بر واحد وزن
  
• راندمان نسبتا بالای تبدیل (28 درصد تئوریک و در عمل نزدیک به 18 تا 20 درصد)

مشکلات عمده:

•  قیمت بالا
  
•  نیاز به ذخیره سازی در اکثر کاربردها
• تخریب در میدان های خاص با انرژی تشعشعی بالا.

توصیف مفهومی پدیده فتوولتائیک:

• پدیده فتوولتائیک برای تبدیل مستقیم انرژی تابشی خورشید به الکتریسیته بکار میرود. این پدیده سالهای طولانی است که شناخته شده و در عمل به کار رفته است. برای ساخت سیستم فتوالکتریک (فتوولتائیک) از اتصال p-n استفاده میشود، که با معرفی این نیمه هادیها میتوان تصویر نسبتا روشنی از این پدیده در ذهن داشت.

ساختار اتمی عناصر

اتم های عناصر مختلف دارای الکترونهایی هستند که در مدارهای مختلفی به دور هسته گردش میکنند. الکترون هایی که در مدارهای نزدیک به هسته گردش میکنند انرژی کمتری دارند اما از طرف هسته، نیروی جاذبه بیشتری بر آنها وارد میشود و در نتیجه نمیتوان به آسانی این الکترون ها را از اتم جدا نمود.
در هر اتم، آخرین مدار را لایه ظرفیت یا لایه والانس گویند و الکترونهای این لایه را الکترون های ظرفیت یا والانس می نامند. الکترون های والانس انرژی بیشتری نسبت به بقیه الکترون ها دارند اما وابستگی آنها به هسته کمتر از بقیه الکترون ها میباشد. ساختمان اتمی اتم مس مطابق شکل زیر است. اتم مس فقط یکالکترون والانس دارد.

اجسام موجود در طبیعت بر اساس تعداد الکترون های والانس اتم های تشکیل دهنده آنها به سه دسته تقسیم میشوند:

1. اجسام عایق
2. هادی
3. و اجسام نیمه هادی 

اجسام عایق:

اتمهای تشکیل دهنده این اجسام معمولاً دارای پنج تا هشت الکترون والانس هستند. به علت اینکه انرژی داده شده به اتمهای اجسام عایق میان تعداد زیادی الکترون والانس تقسیم میشود، انرژی دریافت شده توسط هر الکترون بسیار ناچیز است. و بنابراین الکترونها به سختی از اتم جدا میشوند و همین امر سبب میشود که اجسام عایق در وضعیت معمولی دارای الکترونهای آزاد بسیار کمی بوده و جریان برق را از خود عبور ندهند.

اجسام هادی:

اتمهای تشکیل دهنده این اجسام کمتر از چهار الکترون والانس دارند و این الکترونها به راحتی از قید هسته آزاد میشوند. اجسام هادی الکترونهای آزاد زیادی دارند و این الکترونهای آزاد سبب عبور جریان برق میشوند. به اجسام هادی رسانا هم میگویند.

فلزات یک تا سه ظرفیتی هادیهای خوبی هستند، مانند:

• نقره
• مس
• طلا

اجسام نیمه هادی:

اتمهای تشکیل دهنده اجسام نیمه هادی معمولاً دارای چهار الکترون والانس میباشند. این اجسام در دمای صفر مطلق تقریباً عایق هستند. در دمای محیط، انرژی حرارتی محیط باعث آزاد شدن تعدادی از الکترونهای والانس میشود و هدایت الکتریکی در جسم بالا میرود. مانند ژرمانیوم، سیلیسیوم، توریم، زیرکونیم و هافنیوم.

نیمه هادیها و ساختمان داخلی آنها:

نیمه هادیها عناصری هستند که از لحاظ هدایت، مابین هادی و عایق قرار دارند. مدار آخر نیمه هادی ها دارای چهار الکترون میباشد.

ژرمانیوم و سیلیسیوم دو عنصری هستند که خاصیت نیمه هادی ها را دارا میباشند و بدلیل داشتن شرایط فیزیکی خوب، برای ساخت نیمه هادیهایی همچون دیود، ترانزیستور، ترمیستور و … استفاده میشوند.

ژرمانیوم:

سیلیسیوم (سیلیکون):

عدد اتمی 14  2,8,4

به علت اینکه ژرمانیوم و سیلیسیوم دارای چهار الکترون والانس هستند، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند. برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک میگذارد. این نوع پیوند بین اتمها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی میگویند. پیوندهای کووالانسی بین اتمهای سیلیسیوم مطابق شکل زیر است :

حفره:

در یک بلور سیلیسیوم یا ژرمانیوم در دمای صفر مطلق بعلت اینکه تمامی پیوندهای کووالانسی بین اتم ها برقرار است و هیچ الکترون آزادی وجود ندارد، بلور سیلیسیوم یا ژرمانیوم یک عایق کامل میباشد. اما با افزایش دما جنبش الکترون های والانس افزایش یافته، بعضی از پیوندهای کووالانسی بین اتم ها شکسته شده و الکترون هایی آزاد میشوند و به این ترتیب هدایت الکتریکی در کریستال های سیلیسیوم و ژرمانیوم افزایش می یابد. هرچه دما بیشتر افزایش یابد تعداد الکترون های آزاد بیشتر می شود و در نتیجه هدایت الکتریکی کریستال نیز افزایش می یابد. به ازای جدا شدن هر الکترون از یک اتم، یک جای خالی الکترون در آن اتم ایجاد می شود که به آن حفره می گویند.

مطابق شکل زیر:

الکترونهای آزاد شده در کریستال بصورت نامنظم حرکت میکنند و ممکن است بصورت اتفاقی به حفرهای نزدیک شده و جذب حفره گردند. بنابراین تا زمانی که نیرویی از خارج بر کریستال اعمال نشود، آزاد شدن الکترون ها و جذب آنها به وسیله حفره ها نامنظم ادامه مییابد.

اما وقتی ولتاژی به دو سر کریستال اعمال می شود، الکترون های آزاد به طرف قطب مثبت باتری حرکت می کنند و جریانی در کریستال اعمال می شود که ناشی از حرکت الکترون هاست و به آن جریان الکترون ها می گویند.
جریان دیگری نیز در کریستال وجود دارد که ناشی از حرکت حفره هاست. اگر در اتمی حفرهای وجود داشته باشد، این حفره از اتم مجاور الکترونی را جذب میکند. و جای الکترون جذب شده حفره جدیدی ایجاد میگردد. با اینکه حفره ها حرکت نمیکنند، اما به نظر میرسد که آنها در حال حرکت هستند. همواره جهت حرکت فرضی حفره ها در خلاف جهت الکترون ها است.
چون تعداد الکترون های آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال های سیلیسیوم و ژرمانیوم در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی زیاد نیست، این کریستال ها قابلیت هدایت الکتریکی خوبی ندارند. برای افزایش قابلیت هدایت الکتریکی این نیمه هادی ها به آنها ناخالصی اضافه میکنند T که به دو شکل زیر انجام میگیرد:

1. ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم پنج ظرفیتی (نوع N)
2. ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم سه ظرفیتی (نوع P)

روش اول:

در این روش، عناصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک (As) ،آنتیموان (Sb) و یا فسفر(P) را که در لایه ظرفیت خود پنج الکترون دارند به کریستال سیلیسیوم یا ژرمانیوم اضافه می کنند.

اتم ناخالصی آرسنیک با چهار اتم سیلیسیوم مجاور خود تشکیل پیوند اشتراکی می دهد و چون در لایه ظرفیت اتم آرسنیک فقط جای هشت الکترون وجود دارد، یک الکترون اتم ناخالصی به راحتی از قید هسته آزاد می گردد و بصورت الکترون آزاد در می آید. مقدار کمی الکترون نیز در اثر انرژی گرمایی محیط از قید هسته آزاد می شوند و جای خالی آنها حفره ایجاد می گردد. اتم ناخالصی که به کریستال یک الکترون آزاد می دهد و خود بصورت یون مثبت در می آید، اتم اهدا کننده نام دارد. و به آن کریستالها نوع  N به معنی (Negative) یا منفی گویند.

روش دوم:

عناصر مانند آلومینیوم (Al)، گالیم (Ga) یا ایندیم (In) با اضافه کردن این ناخالصی به سیلیسیوم یا ژرمانیوم خالص یک جای خالی یا حفره ایجاد میشود.

برای معرفی بیشتر سلول خورشیدی مطابق فرآیند شکل زیر، در یک سلول خورشیدی با برخورد فوتون هابه ترکیب p-n انرژی آن باعث فعال شدن باند خنثی شده و الکترون ها جریان می یابند.