استاد : دکتر علی فرمانی
دانشجو : محمد دکامئی
خرداد ماه 99
سلول های خورشیدی نانو ساختار و کوانتومی
انرژی که از طریق خورشید به زمین می رسد ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان است. مصرف انرژی در سال ۲۰۵۰، ۵۰ تا ۳۰۰ درصد بیشتر از مصرف امروزی آن خواهد بود. با اینحال اگر فقط ۰٫۱ درصد از سطح زمین با مبدل های انرژی خورشیدی پوشیده شوند و تنها ۱۰ ٪ بازده داشته باشند برای تامین انرژی مورد نیاز بشر کافی است
انرژی تولید شده در سطح خورشید بعد از ۸ دقیقه به سطح زمین می رسد. نور خورشید که به زمین می رسد شامل طول موج های زیر است: ۴۷ درصد فروسرخ ، ۴۶ درصد نور مرئی ، ۷ درصد فرابنفش . از این رو سلول های خورشیدی باید در ناحیه فروسرخ و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند
سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک یک قطعه الکترونیکی است که به کمک اثر فتوولتائیک، انرژی نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کند سلول های خورشیدی ساخته شده از ویفرهای سلیکونی ، کاربرد بسیاری دارند. سلول های خورشیدی به تنهایی، برای فراهم کردن توان لازم دستگاه های کوچک، مانند ماشین حساب الکترونیکی کاربرد دارد
سلول خورشیدی
توان تولیدی سلول و ماژول خورشیدی به تنهایی ممکن است فقط برای شارژ یک باتری کوچک کافی باشد. برای ساختن سامانه های با خروجی قابل توجه، نیاز است که چند ماژول با هم و به صورت همزمان کار کنند. همانطور که سلول های خورشیدی به هم وصل می شوند تا ماژول ها را بسازند، ماژول ها هم باید برای ایجاد میزان مناسبی از ولتاژ جریان، به صورت سری و موازی به هم متصل شوند. واحد ساخته شده به این طریق آرایه خورشیدی نامیده میشود .
توان تولیدی سلول و ماژول خورشیدی
اولین سلول خورشیدی سیلیکونی توسط آزمایشگاه بل در سال 1953در آمریکا ساخته شد. این دستگاه ها در آن زمان به بازده %4/5رسیدند و اندکی بعد در سال 1954به بازده %6دست یافتند .
سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی به عنوان اولین نسل از سلول های خورشیدی شناخته میشوند. این دستگاه ها به دلیل استفاده از سیلیکون خالص در ساختارشان بسیار گرانقیمت هستند. سلولهای خورشیدی سیلیکونی کریستالی در سال 2008بر بیش از %90بازار فوتوولتائیک جهان حکم فرما بودند .
فناوری سلول خورشیدی
نسل اول
نسل دوم
نسل سوم
گران قیمت و بازه نسبتا خوب
هدف قیمت کمتر: بازده کمتر و قیمت کمتر
هدف بازدهی بالاتر و قیمت کمتر
نسل اول
نسل دوم
نسل سوم
سلولهای خورشیدی سیلیکونی کریستالی در سال 2008بر بیش از %90بازار فوتوولتائیک جهان حکم فرما بودند
فیلمهای نازک کادمیم تلوراید، کادمیم سلنید، مس ایندیوم گالیم دی سلنید، سلولهای خورشیدی سیلیکونی آمورف و سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی لایه نازک میباشد
سلول های خورشیدی دوتایی، سلول های خورشیدی نانو ساختار و سلول های خورشیدی چند اتصالی
سلول ھای خورشیدی نقطه کوانتومی جدیدترین نسل ادوات فتوولتایی میباشند که از زمان معرفیشان در سال 2008میلادی تاکنون نظر بسیاری از محققین را به خود جلب کرده و به سرعت در حال گسترش و توسعه می باشند. قلب این سلولھا را نانوذرات نیمه رسانا نقاط کوانتومی تشکیل می دھند که وظیفه جذب فوتونھای نور، تبدیل آنھا به زوج الکترون-حفره و انتقال آنھا به الکترودھای جانبی را بر عھده دارند.
سلول های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی
یک فاکتور محدود کننده برای بازده تبدیل انرژی در سلول ھای خورشیدی با یک شکاف انرژی این است که انرژی فوتون جذب شده بالای شکاف انرژی نیمه ھادی در اثر اندرکنش الکترون – فونون به صورت گرما تلف می شود تا حامل ھا به لبه شکاف باند انرژی رسیده و به اصطلاح به آرامش برسند
سلول خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی
در سال ھای اخیر روشھایی برای کاھش این تلفات با استفاده از ساختارھای کوانتومی از جمله چاه ھای کوانتومی و نقاط کوانتومی ارائه شده است در این ساختارھا هنگامی که حامل ها در نیمه هادی به وسیله سد ھای پتانسیل به نواحی خاصی که کوچکتر یا قابل مقایسه با طول موج دوبروی آنھا یا شعاع بوھر اکسیتون ھا در نیمه ھادی توده است محدود می شوند، دینامیک آرامش کاملا متفاوت خواھد بود
بهبود بازده فتوولتائیک در سلول ھای خورشیدی نقطه کوانتومی با استفاده از یونیزاسیون ضربه ای
انواع سلول های خورشیدی نقطه یکوانتومی
سلول های خورشیدی شاتکی
سلول های خورشیدی پیوند ناهمگون تهی شده
سلول های خورشیدی جاذب بسیار نازک
سلول های خورشیدی پیوند ناهمگن تودهای (پلیمر)
سلول های خورشیدی نقطه یکوانتومی حساس شده
سلول شــاتکی اولین ساختار ســلول خورشــیدی نقطه ی کوانتومی کلوییدی بود که به بازده های %1دســت یافت . یک ســلول شاتکی ساده ترین وســیله ی فوتوولتاییک اســت که میتواند ساخته شود. این ســلول ها به چند دلیــل مورد توجه هســتند. اولاً، آنهــا میتوانند با لایه نشــانی به روش اســپری و یا پرینت تزریقی از فــاز محلول ،5تولید شوند. دوما، لایه ی نازکی ( )~100از نقاط کوانتومی جاذب در سلول فوتوولتاییک نیاز اســت
در این وسیله یک اکسید رسانای شفاف با تابع کار نسبتا بزرگ، نظیر ،IT با یک فیلم نقطه ی کوانتومی کلویید اتصالی اهمی را تشــکیل میدهد. در پشــت وســیله نیز یک فلز با تابع کار کــم، نظیر آلومینیوم یا منیزیم، یک پیوندگاه جداکنندهی بار جهت اســتخراج الکترونها و دفع حفرهها ایجاد میکند تفاوت محل تراز فرمی در فلز و نیمرسانا، سبب انتقال بار از فلز به نیمرسانای نوع pشده و به این ترتیب اتصال شاتکی شکل میگیرد .
سلول های خورشیدی شاتکی
بیشتر مطالعات بر روی سلولهای خورشیدی شاتکی برپایه ی نانومواد جاذب طول موج های فروســرخ نظیر Si ،CdTe ،PbSو استوار هستند . برای بهبود بازده ســلولهای شــاتکی، این نوع سلول ها را با انواع دیگر ترکیب میکننــد. یک رهیافت جدید از این نوع ترکیبات، ســلول های خورشــیدی گرافنی مبنی بر پیوند شاتکی است که با اضافه کردن ماده آلی همراه اســت. محققــان به یک بازده تبدیل تــوان 1/9درصد برای وســایل غیر آلاییده دســت یافتند و پس از آلاییدن ایــن بازده به 8/6 درصد رسیده است
نقشه ی سلول شاتکی و نمودار تعادل نواری آن
در ســال 2010محققان یک ســاختار موفقیت آمیز را برای سلول های خورشــیدی نقطه ی کوانتومی کلوییدی پیشــنهاد دادند که محدودیت اصلی سلول های شاتکی، یعنی ولتاژهای داخلی پایین را برطرف میکرد . ســاختار این سلول به طور کلی شامل یک لایهی نقاط کوانتومی است که بین لایــه ی انتقال دهنده ی الکترون (معمــولا )TiO2و یک الکترود فلزی قرار گرفته اســت
اخیرا محققان با بهینه ســازی این ســاختار، بازده های تبدیل توان 6 درصدی را گزارش کرده اند
سلول های خورشیدی پیوند ناهمگون تهی شده
مزیت ســلول های خورشیدی پیوند ناهمگون نسبت به نوع شاتکی این است که در نوع شــاتکی نور از طرف نانوذرات کوانتومی به محل اتصال تابیده میشود، در نتیجه الکترون و حفره در محل دور از اتصال تشکیل می شوند. این در حالی است که در نوع پیوند ناهمگون نور از طرف ماده ی نیمرسانای نوع nبا گاف انرژی بزرگ به محل اتصال تابیده میشود، لذا ماده ی نوع nبا گاف انرژی بزرگ، نور را جذب نکرده و بیشترین چگالی الکترون و حفره در بســتر نقاط کوانتومی در محل اتصال تولید میشود، در نتیجه جدایش به صورت موثری صورت خواهد گرفت
طرح سلول ناهمگون تهی شده نمودار نواری سلول فتوولتاییک و منحنی ولتاژ-جریان سلول
در دو دهه ی اخیر سلول های خورشــیدی جاذب بسیار نازک ETA مورد مطالعات گســترده ای قرار گرفته اند. برپایه ی روش رســوب گذاری لایه ی جــاذب، تنوع بســیار زیــادی در روش های تولید ســلول های خورشــیدی ETAوجود دارد. متداولترین روش ها برای جذب عبارتند از: 1-جذب و واکنش متوالــی لایه-یونی ،2- (SILAR)واکنش گازی لایه ی یونی (ILGAR) ۳- رسوب گذاری الکتریکی ، 4-رسوب گذاری لایه ی اتمی ALDو نهایتا5- رســوب بخار شــیمیایی به کمک پلاسما است
سلول های خورشیدی جاذب بسیار نازک
طرح سلول خورشیدی ETA وساختار نواری سلول ETA که نشان دهنده ی تراز های شبه فرمی Enو Ep در رسانای الکترون وحفره است تفاوت بین این دو تراز ولتاژ فوتونی vرا تعیین می کند
هنوز بازدهی تبدیل توان این نوع از سلول ها زیر %4باقی مانده است. محاسبات مدلسازی شده بازدهی 15درصدی را برای ســلولهای CdTe ETAقابل دسترس میدانند. اگر بازده بهبودیافته از این مرتبه بدست آید، ETA میتواند گزینه ی مناسبی برای سلول های خورشیدی ارزانقیمت باشد برای این نوع سلول ها که یک نیمرسانای نیمه متخلخل شفاف برای نور به وسیله رسوب گذاری یک جاذب غیرآلی حســاس شــده بازده تبدیل انرژی حدود 1/2درصد به دست آمده است
ســلول های ناهمگن تــودهای، مرکب از پلیمرهــای درهم آمیخته ی دهنده ی الکترون و فولرین های گیرنده ی الکترون هستند. عقیده بر این است که مجتمع سازی نانوذرات نیمرسانا در این سلول ها، افزایش بازده را به همراه دارد. تاکنون مواد نیمرسانای متنوعی نظیر،ZrTiO4/Bi2O3 ZnO ،ZnS ،CdS ،CdSe ،PbSeو Siدر این نوع ســلول ها مورد استفاده قرار گرفته انــد. تحقیق بر روی نقاط کوانتومی در ســلول های ناهمگن توده ای بر دو جنبه متمرکز شــده است اولاً، استفاده از نقاط کوانتومی در حضور فولرینهای حامل الکترون و پلیمرهای رســانای حفره است دوماً، استفاده از نقاط کوانتومی در این سلول ها به عنوان جمع آوری کننده ی نور و همزمان به عنوان ماده ی حامل الکترون است
سلول های خورشیدی پیوند ناهمگن توده ای (پلیمر)
در اینجــا نانومیله های CdSeبه عنوان ماده ی پذیرنده ی الکترون مورد اســتفاده قرار میگیرند در حالی که PCPDTBT بــه عنوان فاز دهنده استفاده میشود. برخلاف ســلول های ناهمگن تودهای پلیمر/فولرین که در آن فولرین در پاســخ طیفی مشارکت بســیار کمی دارد، سلول های خورشــیدی پلیمری بر پایه ی نقاط کوانتومی، مزیتی را در جذب موثر نور ایجاد میکنند
طرح یک ســلول ناهمگن تودهای و نمودار انرژی یک سلول متداول
فیلم های نیم رسانای نانوساختار با گاف نواری پهن، سطح میکروسکوپی را فراهم میکند که چندین مرتبه بزرگتر از ســطح هندســی است. این سطح میتواند با یک لایه ی نازک جاذب با جذب کنندگی پایین حساس شــود. میتوان از نانومیله ها، نانوســیم ها، نانولوله ها، نانوصفحات و نظایر آنها به عنوان نانوساختار استفاده کرد
سلول های خورشیدی نقطه ی کوانتومی حساس شده توجه قابل ملاحظه ای را به عنوان وسایل فوتوولتاییک نسل سوم به خود جذب کرده اند این دسته از ســلول ها، نوع نوینی از سلول های خورشیدی حســاس شــده ی رنگی هســتند
سلول های خورشیدی نقطه ی کوانتومی حساس شده
طرح سلول خورشیدی نقطعه کوانتومی حساس شده و نمودار نوار انرزی سلول
عملکــرد به این طریق اســت: به محــض در معرض تابش قرار گرفتن ســلول فوتوولتاییک، حســاسکننده های نقطه ی کوانتومی کــه به لایه ی TiO2 چســبیده اند، نور را جذب می کننــد این عمر باعث برانگیخته شدن یک الکترون در نقاط کوانتومی از نوار ظرفیت به رسانش می شود به این طریق الکترون بر انگیخته یک حفره ی مثبت را پشت سر خود جا می گذارد پیوند الکترو استاتیکی جفت الکترون وحفره که اکسایتون نامیده می شود در مرز نقاط کوانتومی و TIO2 جداسازی می شود
فرایند تولید جریان در سلول خورشیدی نقطه کوانتومی حساس شده
روشهای مختلفی جهت اتصال تک سلول های خورشیدی به یکدیگر وجود دارند از جمله متداولترین آنها که در مراجع مختلفی نیز به آنها اشاره شده است میتوان انواع ماژول های نوع ,Z نوع W ونوع مونولیتیک را نام برد
ساخت ماژول خورشیدی با اتصال z :
در اتصال نوع ، Zویژگی های مناسبی به چشم میخورد که از آن جمله میتوان به ولتاژ خروجی بالا و سادگی طراحی و نصب اشاره نمود.
معمولا بازه این نوع سلول خورشیدی در محدوده 3تا5 است در ماژول 30*30گزارش شده است .
شماتیکی از نحوه اتصال اجزاء آند، کاتد و الکترولیت ماژول خورشیدی با اتصال z
همانگونه که از شکل نیز قابل رویت است، نحوه اتصال آند به کاتد در این نوع اتصال به گونه ای است که سیستم آند در یک تک سل به سیستم کاتد در تک سل بعدی اتصال می یابد و شکلی شبیه به Zبه وجود میآید که دلیل اصلی انتخاب نام Zدر این سیستم همان تشابه شکلی می باشد
در این نوع ماژول خورشیدی به دلیل طراحی ویژه و از بین رفتن اتصال هادی، سطح موثر بالا می رود و به همین دلیل بازده این نوع از ماژول های خورشیدی نانوساختار معمولاً بالاتر می باشد. بازده این نوع از ماژول های خورشیدی در محدوده 8/9 – 9/3درصد در یک ماژول 5*5 گزارش شده است
ساخت ماژول خورشیدی با اتصال w :
پیش بینی میشود که به دلیل نیاز به تجهیزات پیشرفته تر در ساخت این نوع ماژول خورشیدی، قیمت نهایی این نوع از ماژول ها بالاتر باشد
در ماژول خورشیدی نانوساختار با طراحی نوع مونولیتیک، آند و کاتد در یک سمت پایه قرار میگیرند. در این نوع از ماژول خورشیدی به دلیل فرآیند تولید کوتاهتر، قیمت از دو حالت قبل پایین تر است و بازده ی در حدود 5/4 – 6/5درصد در یک ماژول 5*5گزارش شده است
همانگونه که از شکل نیز قابل رویت است، آند و کاتد در این طراحی در یک سمت قرار می گیرد و جهت طراحی و ساخت آن نیاز به تجهیزات تکنولوژیکی جدیدتری می باشد و در این نوع از ماژول خورشیدی، بازده نسبتاً پایین است
ماژول خورشیدی نانوساختار با طراحی نوع مونولیتیک
با تشکر از توجه شما