مقدمه ای بر سلول های خورشیدی

امروزه بشر در اثر پیشرفت های علمی در زمینه های گوناگون نیاز روزافزونی به انرژی پیدا کرده است. این امر او را بر آن داشته تا با روشهای گوناگون انرژی مورد نیاز خود را کسب کند. در عین حال اساسی ترین مشکلی که در تولید انرژی به روش های سنتی وجود دارد آلودگی های زیست محیطی و پایان یافتن منابع این انرژی هاست. بنابراین روی آوردن بشر به منابع انرژی جدیدی که هم تا حدی پایان ناپذیر باشند و هم اینکه باعث آلودگی هوا نشوند امری اجتناب ناپذیر است. یکی از انرژی هایی که طی سالها مورد توجه بشر قرار گرفته انرژی بی پایان خورشید است. خورشید منبع عظیم انرژی است و می توان گفت منشاء تمام انرژیهای دیگر است. در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است، این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می‌باشد که از سطح آن انرژیی با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. ولی با اینکه سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید میزان کمی از کل انرژی تابشی آن می‌باشد، حتی سوختهای فسیلی ذخیره شده در زمین، انرژیهای باد، آبشار، امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین انرژی دریافتی زمین از خورشید می‌باشد.انرژی تابشی خورشید که در هر روز به زمین می‌رسد، برای برآورده کردن انرژی مورد نیاز یک سال کره زمین کافی است . بعضی از مزایای سلول های فتوولتائیک در زیر آمده است:
• منبع انرژی خورشید وسیع، نامحدود و رایگان است.
• هزینه کار با آن پایین است.
• بخشهای متحرک ندارد
• قابلیت اطمینان بالایی دارند
• نصب سریع
• امنیت بالا

انرژی خورشیدی به طور مستقیم یا غیر مستقیم می‌تواند به دیگر اشکال انرژی همانند گرما و الکتریسیته تبدیل شود. برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته می توان از اثر فتوولتائیک با استفاده از سلول های خورشیدی بهره برد. ساختار پایه سلول خورشیدی به عبارتی یکپیوند p – nمتشکل از مواد نیمه هادی است که با جذب نور و جابجایی الکترون بین ترازهای انرژی، تولید انرژی الکتریکی می کند . در ادامه توضیحات مقدماتی کوتاهی در مورد نحوه کار سلول های خورشیدی برای علاقمندان ارائه می گردد :

تابش نور به یک پیوند p – nدر حالت خاصی باعث تولید جفت الکترون - حفره می گردد که موجب ایجاد جریان های نفوذی و انتشاری در پیوند می گردد که اساس کار سلول های خورشیدی را تشکیل می دهد. شرط تولید جفت الکترون - حفره، این است که انرژی فوتون تابشی حداقل برابر با گاف انرژی ماده مورد استفاده در سلول خورشیدی باشد. گاف انرژی ماده، Eg ، درواقع اختلاف انرژی باند هدایت و ظرفیت نیمه هادی است. در صورتی که انرژی فوتون نور تابشی بیشتر از Eg باشد، عمل تولید جفت الکترون - حفره انجام می گیرد. دراین حالت انرژی لازم برای انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت همان انرژی Eg است و انرژی اضافی بعد از انتقال به باند هدایت به صورت گرما تلف شده و به جسم منتقل می شود و الکترون در پایین ترین نقطه باند هدایت اصطلاحا به سکون می رسد. بنابراین شرط لازم برای جذب نور توسط ماده ای با انرژی گپ Eg به صورت زیر است :

که در آن h ثابت پلانک و  υفرکانس متناظر با فوتون نور تابشی با طول موج λ = c/υ است که c بیانگر سرعت نور در ماده است. طیف تابشی خورشید در سطح زمین با طیف دریافتی آن در فضا تا حدودی متفاوت است. بنابراین در نهایت فوتون هایی با محدوده طول موجی زیر جذب می شوند:

در حالی که فوتون هایی که در خارج این محدوده قرار دارند جذب نخواهند شد و اصطلاحا بلور برای این فوتون ها شفاف است. نور خورشید که به زمین می‌رسد شامل طول موجهای زیر است: ۴۷ درصد مادون قرمز، ۴۶ درصد نور مرئی، ۷ درصد فرابنفش. از این رو سلولهای خورشیدی باید در ناحیه مادون قرمز و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند. طول مسیر نوری برای نور از یک منبع آسمانی به زمین جرم هوایی (AM) نامیده می شود. هنگامی که نور از جو زمین عبور می کنددر اثر پراکندگی و جذب، تضعیف می شود. بنابراین اجرام آسمانی در  افق نسبت به سمت الراس (بالاترین نقطه آسمان) ، با روشنایی کمتری دیده می شوند. مقدار جرم هوایی در فضای بیرون جو (مثلا در ماهواره ها) برابر AM0 و در سمت الراس در سطح دریا برابر AM1 در نظر گرفته می شود. در حالت AM1، نور خورشید عمود بر سطح سلول است. به عبارتی AM1.5 به معنی این است که خورشید در محلی قرار گرفته که طول مسیر آن برای تابش روی سطح سلول، 5/1 برابر حالت AM1 است که با توجه به شکل زیر معادل طیف تابشی خورشید در سطح زمین با زاویه حدود 48 درجه است. مقادیر شدت نور برای حالتAM0 حدودا برابر 1366 W/m2 و برای AM1 برابر 925 W/m2 است.
سلول های خورشیدی را می توان به انواع مختلفی از جمله موارد زیر تقسیم بندی کرد، به طوری که در این تقسیم بندی تا حدی توالی زمانی کار روی انواع مختلف این سلول ها نیز رعایت شده است.
• سیلیکون تک کریستالی (c-Si)
• سیلیکون پلی کریستالی (poly-Si) یا چند کریستالی (mc-Si)
• سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون لایه نازک غیر کریستالی (آمورف)
• سلول های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
     سلول های خورشیدی حساس به رنگ 
     سلول های خورشیدی پلیمری
     سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع
بخشی از گروه آخر اشاره شده در بالا همراه با موارد دیگری که تنها کارهای اولیه آزمایشگاهی روی آنها انجام شده است تحت عنوان نسل جدید سلول های خورشیدی نامیده می شوند.