ساختار پنل خورشیدی

پنل خورشیدی به عنوان مبدل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، مهمترین بخش یک سیستم خورشیدی است. یک پنل خورشیدی مجموعه ای از سلول های خورشیدی است. حال نگاهی بیندازیم به ساختار و عملکرد این سلول ها.

یک سلول خورشیدی متشکل از یک پیوند p-n است که به موجب اثر فتوولتائیک انرژی خورشیدی را به طور مستقیم به جریان الکتریکی مستقیم (DC) تبدیل می کند. این فرایند تبدیل انرژی، نیازمند ماده ای است که فوتون ها را جذب کند و الکترون های لایه ظرفیت خود را به سطح انرژی بالاتر برساند و جریانی از این الکترون ها برقرار شود. سیلیکون یکی از این نوع مواد می باشد. بیشترین ماده مورد استفاده در ساخت پنل خورشیدی همین سیلیکون است. پنل خورشیدی در دو نوع کریستال و لایه نازک تولید می شوند.

پیوند p-n

این پیوند از اتصال دو ماده نیمه رسانای نوع p و  n بوجود می آید. در نتیجه الکترون های لایه ظرفیت نوع  n با حفره های خالی نوع p هم پوشانی می کنند. الکترون ها به سمت حفره های p حرکت می کنند و ماده نوع n تبدیل به یون مثبت می شود. در مقابل حرکت حفره ها به سمت n ماده نوع p را تبدیل به یون منفی می کنند. این حرکت الکترون ها در واقع جریان الکتریکی تولید می کند.

اثر فتوولتائیک

اثر فتوولتائیک در سال 1839 میلادی توسط فیزیکدان فرانسوی بکرل کشف شد. وی متوجه شد بعضی مواد در معرض نور مقادیر کوچکی جریان الکتریکی تولید می کنند. البته خود این جریان به تنهایی کافی نیست بلکه ولتاژ هم باید ایجاد شود. این پدیده فتوولتائیک نام دارد. با وجود جریان و ولتاژ معین، توان الکتریکی خواهیم داشت و می توان از انرژی حاصل برای تامین الکتریسیته وسایل مختلف استفاده کرد.

سیلیکون ماده ای براق است که بخشی از فوتون ها را پیش از جذب منعکس می کند. بنابراین یک پوشش ضد انعکاس روی آن قرار می دهند تا دفع فوتون ها کاهش یابد. برای محافظت بیشتر یک صفحه شیشه ای روی سلول قرار می گیرد. ماژول ها از کنار هم قرار دادن چندین پنل خورشیدی تشکیل می شود تا میزان کافی از جریان و ولتاژ ایجاد شود. ماژول ها درون یک چارچوب جای می گیرند و پایانه های مثبت و منفی به آنها متصل می شوند.

نور از فوتون هایی با سطح انرژی های متفاوت تشکیل شده است.  برخی از آنها انرژی لازم برای ایجاد جفت الکترون-حفره را ندارند. البته برای برانگیختن الکترون تنها نیاز به انرژی معینی به میزان 1.1 الکترون ولت برای سیلیکون کریستال می باشد. این میزان انرژی را گاف انرژی یک ماده می نامند. اگر فوتون انرژی بیشتری از گاف انرژی داشته باشد، مازاد آن نیز از بین می رود. این دو مسئله باعث می شوند تا 70% انرژی تابشی به سلول از بین برود.

حال چرا از موادی با گاف انرژی بیشتر استفاده نکنیم؟ متاسفانه ولتاژ مورد نیاز را گاف انرژی تعیین می کند. اگر جریان بیشتری تولید شود، ولتاژ کمتری خواهیم داشت. گاف انرژی بهینه برای توازن این دو عامل در حدود 1.4 الکترون ولت برای سلول ساخته شده از یک ماده می باشد.