سلول خورشیدی چیست و نحوه کار آن چگونه است؟

وقتی درباره تولید برق از نور خورشید صحبت می‌کنیم، معمولا اولین چیزی که به ذهن می‌رسد پنل خورشیدی است؛ اما پنل در واقع از مجموعه‌ای از قطعات کوچک‌تر به نام سلول خورشیدی تشکیل شده است. این سلول‌ها بخش اصلی تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی هستند و عملکرد آن‌ها پایه فناوری فتوولتائیک را تشکیل می‌دهد.

شناخت ساختار و عملکرد سلول خورشیدی به شما کمک می‌کند تفاوت میان سلول، پنل و سیستم خورشیدی را بهتر درک کنید. در ادامه، از ساختار سلول و نحوه تولید آن تا انواع مختلف و کاربردهای آن را بررسی می‌کنیم.

سلول خورشیدی چیست؟

سلول خورشیدی یک قطعه نیمه‌رسانا است که انرژی نور خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. بیشتر سلول‌های تجاری از سیلیکون ساخته می‌شوند؛ زیرا این ماده ترکیبی مناسب از راندمان، هزینه تولید و طول عمر ارائه می‌دهد.

ساختار سلول‌های سیلیکونی به گونه‌ای طراحی می‌شود که با ایجاد میدان الکتریکی داخلی و لایه‌های مختلف نیمه‌رسانا، حامل‌های بار ایجادشده در اثر جذب نور به سمت تماس‌های الکتریکی هدایت شوند و جریان الکتریکی تولید شود.

به زبان ساده، اگر بخواهیم توضیح دهیم سلول خورشیدی چیست، می‌توان گفت واحد پایه تولید برق در یک سامانه فتوولتائیک است که وظیفه تبدیل نور به برق را بر عهده دارد. یک سلول به تنهایی توان محدودی تولید می‌کند؛ به همین دلیل چندین سلول به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک ماژول یا پنل خورشیدی را تشکیل دهند.

برای خرید و اطلاع از هزینه پنل خورشیدی خانگی کلیک کنید.

کاربرد سلول خورشیدی

کاربرد سلول های خورشیدی فقط به نیروگاه‌های بزرگ محدود نمی‌شود. هرجا امکان دریافت نور و نیاز به تولید برق وجود داشته باشد، می‌توان از فناوری فتوولتائیک استفاده کرد.

مهم‌ترین کاربردها عبارت‌اند از:

• تولید برق برای ساختمان‌های مسکونی
• نیروگاه‌های خورشیدی کوچک و بزرگ
• تامین برق تجهیزات مخابراتی
• چراغ‌های خورشیدی خیابانی و فضای باز
• ماشین حساب و تجهیزات الکترونیکی کوچک
• سیستم‌های برق‌رسانی مناطق دورافتاده
• تجهیزات و سامانه‌های فضایی
• سیستم‌های خورشیدی قابل حمل

سلول‌های فتوولتائیک پس از اتصال به یکدیگر، در قالب ماژول استفاده می‌شوند و چندین ماژول نیز می‌توانند یک آرایه خورشیدی را تشکیل دهند. در برخی موارد، برق تولیدشده مستقیما مصرف نمی‌شود و پس از عبور از اینورتر یا تجهیزات ذخیره سازی، برای تامین برق ساختمان یا اتصال به شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای مشاهده لیست قیمت پمپ آب خورشیدی در مدل های مختلف کلیک کنید.

سلول خورشیدی چگونه کار می‌کند؟

برای درک اینکه سلول خورشیدی چگونه کار می‌کند، باید با اثر فتوولتائیک آشنا شویم. زمانی که نور خورشید به سطح سلول می‌تابد، فوتون‌های موجود در نور به ماده نیمه‌رسانا برخورد می‌کنند.

اگر انرژی فوتون جذب شده به اندازه کافی باشد، می‌تواند یک الکترون را به حالت انرژی بالاتری منتقل کند و در نتیجه یک زوج الکترون-حفره ایجاد شود. میدان الکتریکی داخلی و ساختار لایه‌های سلول به جداسازی و انتقال حامل‌های بار به سمت تماس‌های الکتریکی کمک می‌کنند. سپس با اتصال مدار خارجی، الکترون‌ها در مدار حرکت کرده و جریان الکتریکی تولید می‌شود.

فرایند را می‌توان در چند مرحله ساده خلاصه کرد:

۱. دریافت نور: فوتون‌های نور خورشید به سطح سلول برخورد می‌کنند.

۲. آزاد شدن حامل‌های بار: انرژی نور باعث ایجاد الکترون‌ها و حفره‌های متحرک در نیمه‌رسانا می‌شود.

۳. جداسازی بارها: میدان الکتریکی و ساختار لایه‌های سلول به جداسازی و هدایت الکترون‌ها و حفره‌ها به سمت تماس‌های الکتریکی کمک می‌کنند.

۴. ایجاد جریان: الکترون‌ها از مسیر مدار خارجی حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی به وجود می‌آید.

۵. استفاده از برق: جریان تولیدشده می‌تواند به تجهیزات مصرف‌کننده، باتری یا سیستم برق متصل شود.

بنابراین، نحوه کار سلول خورشیدی بر پایه تبدیل مستقیم انرژی نور به برق است و برای تولید این برق به سوخت یا حرکت مکانیکی نیاز ندارد. مقدار برق تولیدی به عواملی مانند شدت و طیف نور، دمای سلول و ویژگی‌های الکتریکی آن بستگی دارد.

برای تهیه و خرید پنل خورشیدی صنعتی کلیک کنید.

سلول خورشیدی چگونه ساخته شده است؟

سیلیکون ماده اصلی بسیاری از سلول‌های خورشیدی امروزی است. برای ساخت سلول‌های سیلیکونی، ابتدا سیلیکون با خلوص مناسب برای کاربردهای فتوولتائیک تولید می‌شود. سپس از آن برای تولید شمش‌های سیلیکونی استفاده می‌شود و شمش‌ها به ویفرهای نازک برش می‌خورند.

در فناوری مونوکریستال، شمش سیلیکونی با ساختار بلوری یکنواخت تولید شده و سپس با اره‌های سیمی الماسی به لایه‌های بسیار نازکی به نام ویفر برش داده می‌شود.

بعد از تولید ویفر، چند مرحله پردازش روی آن انجام می‌شود. سطح ویفر معمولا با روش‌های شیمیایی آماده می‌شود تا جذب نور افزایش پیدا کند. سپس مواد موردنیاز برای ایجاد ساختار نیمه‌رسانا و لایه‌های عملکردی اضافه شده و اتصالات فلزی برای جمع‌آوری جریان روی سلول قرار می‌گیرند. پوشش ضد بازتاب نیز می‌تواند برای کاهش بازتاب نور و افزایش جذب استفاده شود.

در مرحله بعد، سلول‌های ساخته شده به یکدیگر متصل می‌شوند. مجموعه سلول‌ها میان لایه‌های محافظ مانند شیشه و مواد پلیمری قرار می‌گیرد، لمینیت می‌شود و در نهایت قاب و جعبه اتصال به آن اضافه می‌شود تا یک پنل خورشیدی تشکیل شود.

بنابراین مسیر کلی تولید را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت:

سیلیکون با خلوص بالا ← شمش سیلیکونی ← ویفر ← سلول خورشیدی ← اتصال چند سلول ← پنل خورشیدی

انواع سلول خورشیدی

سلول‌های خورشیدی را می‌توان براساس ماده نیمه‌رسانا و ساختار آن‌ها به گروه‌های مختلف تقسیم کرد. امروزه سیلیکون کریستالی بخش عمده بازار فتوولتائیک را تشکیل می‌دهد، اما فناوری‌های دیگری نیز وجود دارند.

سلول مونوکریستال

در سلول مونوکریستال، ساختار سیلیکون از یک کریستال واحد تشکیل شده است. این ساختار معمولا امکان راندمان بالاتری را نسبت به سلول‌های پلی‌کریستال فراهم می‌کند، اما فرایند تولید آن پیچیده‌تر است.

امروزه سلول‌های سیلیکونی مونوکریستال بخش بسیار بزرگی از بازار را به خود اختصاص داده‌اند.

سلول پلی‌کریستال

این سلول‌ها از سیلیکونی با چندین دانه یا ساختار بلوری تشکیل می‌شوند و در گذشته سهم قابل توجهی از بازار پنل‌های خورشیدی داشتند. این فناوری معمولا راندمان پایین‌تری نسبت به مونوکریستال داشت، اما تولید آن ساده‌تر بود. با پیشرفت فناوری مونوکریستال، استفاده از سلول‌های پلی‌کریستال در بازار جهانی به شدت کاهش یافته و امروزه بخش بسیار کوچکی از تولید را تشکیل می‌دهد.

سلول‌های لایه نازک

در فناوری Thin Film، به جای استفاده از یک ویفر ضخیم، لایه بسیار نازکی از ماده فتوولتائیک روی بستری مانند شیشه، پلاستیک یا فلز قرار می‌گیرد.

از مواد رایج این فناوری می‌توان به CdTe، CIGS و سیلیکون آمورف اشاره کرد. امکان ساخت روی بسترهای مختلف، از جمله شیشه، فلز یا در برخی طراحی‌ها بسترهای انعطاف‌پذیر، از ویژگی‌های این فناوری است.

سلول‌های نسل جدید

در کنار فناوری‌های تجاری، فناوری‌هایی مانند سلول‌های پروسکایت، چندپیوندی و برخی ساختارهای ترکیبی نیز در حال توسعه هستند. بعضی از این فناوری‌ها در آزمایشگاه به راندمان‌های بسیار بالا رسیده‌اند، اما هزینه تولید و چالش‌های صنعتی باعث شده استفاده گسترده از آن‌ها همچنان محدود باشد.

تفاوت بین سلول خورشیدی و پنل خورشیدی

سلول و پنل خورشیدی دو مفهوم مرتبط اما متفاوت هستند. سلول خورشیدی واحد پایه تولید برق در یک سیستم فتوولتائیک است، در حالی که پنل خورشیدی از اتصال تعداد زیادی سلول به یکدیگر تشکیل می‌شود.

برای مثال، اگر یک سلول را مانند یک آجر در نظر بگیریم، پنل مجموعه‌ای از آجرهاست که در کنار یکدیگر یک ساختار بزرگ‌تر ایجاد می‌کنند.در یک سیستم کامل نیز چند پنل می‌توانند در قالب آرایه به یکدیگر متصل شوند و سپس برق تولیدی از طریق تجهیزات الکترونیکی مانند اینورتر برای مصرف یا اتصال به شبکه آماده شود.

جمع‌بندی

سلول خورشیدی، پایه اصلی فناوری فتوولتائیک و واحد پایه تولید برق در یک سیستم فتوولتائیک است که نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند. بیشتر سلول‌های تجاری از سیلیکون ساخته می‌شوند و با استفاده از ساختار نیمه‌رسانا و میدان الکتریکی داخلی، انرژی فوتون‌های نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند.

سلول‌ها به تنهایی توان محدودی دارند و به همین دلیل در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند تا پنل خورشیدی را تشکیل دهند. انتخاب نوع سلول، ساختار آن و فناوری تولید می‌تواند روی راندمان، هزینه و عملکرد نهایی پنل تاثیر بگذارد. شناخت این تفاوت‌ها به شما کمک می‌کند هنگام بررسی تجهیزات خورشیدی، تفاوت میان سلول، پنل و کل سیستم فتوولتائیک را بهتر درک کنید.

برای یادگیری شرایط و مراحل احداث نیروگاه خورشیدی کلیک کنید.

سوالات متداول