مقاله های فیزیک خورشیدوش

۱۳۸۸ – ترجمه

برگرفته از: http://science.nasa.gov/headlines/y2002/solarcells.htm – نسخه‌ی اصلی این مقاله در بایگانی شخصی من موجود است.

دریافت این مقاله  در قالب «پی دی اف»:
فتوولتائیک.pdf (پرحجم اما قابل جستجو و رونوشت‌برداری)
فتوولتائیک.pdf (کم‌حجم اما تنها برای چاپ)

فوتوولتائیک تبدیل مستقیم نور به الکتریسیته، در سطح اتمی، است. برخی از مواد ویژگی شناخته شده‌ای، با عنوان اثر فوتوالکتریک، را نمایش می‌دهند که موجب جذب فوتون‌های نور و آزادسازی الکترون‌ها می‌شود. هنگامی که این الکترون‌های آزاد اسیر می‌شوند، یک جریان الکتریکی به دست می‌آید که می‌تواند به عنوان الکتریسیته کار رود.
اثر فوتوولتائیک نخستین بار توسط ادموند بکرل، فیزیکدان فرانسوی، در سال ۱۸۳۹ میلادی، مورد توجه قرار گرفت؛ او دریافت که مواد معینی در هنگام قرار گرفتن در معرض نور مقدار کمی جریان الکتریکی تولید می‌کنند. در سال ۱۹۰۵ میلادی، آلبرت آینشتاین طبیعت نور و اثر فوتوالکتریک را بر آن چه فناوی فوتوولتائیک بر آن استوار است تشریح کرد؛ کاری که بعدها جایزه‌ی نوبل فیزیک را برای او به ارمغان آورد. نخستین ماژول فوتوولتائیک توسط آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۵۴ میلادی ساخته شد. آن به عنوان یک سلول خورشیدی ثبت شد و آنقدر کمیاب و بسیار گران بود که به کاربرد انبوه نرسید. در دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی، نخستین به‌کارگیری جدی این فتاوری را صنعت فضا برای فراهم‌آوری انرژی کشتی‌های فضایی آغاز کرد. این فناوری در برنامه‌های فضایی پیشرفت کرد، توانایی آن احراز گردید، و بهایش کاهش یافت. در طی بحران انرژی در دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی، فناوری فوتوولتائیک به عنوان منبعی از انرژی برای برنامه‌های غیرفضایی به رسمیت شناخته شد.

تصویر بالا کارکرد یک سلول فوتوولتائیک، که سلول خورشیدی هم نامیده می‌شود، را تشریح می‌کند. سلول‌های خورشیدی از همان مواد نیمه‌رسانایی ساخته شده‌اند که در صنعت ریزالکترونیک به کار می‌رود، مانند سیلیکون. برای سلول‌های خورشیدی، یک قرص نیمه‌رسانای نازک به طور ویژه برای ساخت میدان الکتریکی رفتار می‌کند، مثبت در یک طرف و منفی در طرف دیگر. هنگامی که انرژی نور جذب سلول خورشیدی می‌شود الکترون‌های مواد نیمه‌رسانا از اتم‌ها به بیرون پرتاب می‌شوند. اگر رساناهای الکتریکی به بخش‌های منفی و مثبت متصل شوند یک مدار الکتریکی شکل می‌گیرد؛ الکترون‌ها می‌توانند در ساختار یک جریان الکتریکی گرفتار شوند – این الکتریسیته است. این الکتریسیته سپس می‌تواند برای به کار انداختن یک دستگاه، مانند یک چراغ یا یک ابزار، به کار گرفته شود.
شماری از سلول‌های خورشیدی که به یکدیگر متصل شده‌اند و در یک صفحه یا ساختار نگهدارنده سوار می‌شوند، را ماژول فوتوولتائیک می‌نامیم. ماژول‌ها برای تدارک الکتریسیته در یک ولتاژ معین، مانند یک دستگاه ۱۲ ولتی معمولی، طراحی شده‌اند. جریان تولید شده، به طور مستقیم، به چگونگی جذب نور توسط ماژول بستگی دارد.

ماژول‌های چندگانه را می‌توان به یکدیگر سیم‌کشی کرد تا یک آرایه ساخته شود. در کل، مساحت بیشتر ماژول یا آرایه، الکتریسیته‌ی تولیدی بیشتری را در پی دارد. آرایه‌ها و ماژول‌های فوتوولتائیک الکتریسیته‌ی دی‌سی (جریان مستقیم) تولید می‌کنند. آنها را می‌توان به هر دو شیوه‌ی چینش الکتریکی متوالی و موازی به یکدیگر متصل نمود تا هر ترکیب ولتاژ یا جریان مورد نیازی را تولید کنند.

اغلب ابزارهای پی‌وی امروزی یک اتصال یا رابط تکی را به کار می‌برند تا یک میدان الکتریکی با یک نیمه‌رسانا مانند یک سلول پی‌وی، تولید کنند. در یک سلول پی‌وی تک‌پیوندگاهی، تنها فوتون‌هایی که انرژی‌یشان برابر یا بزرگ‌تر از گاف نوار ماده‌ی سلول هستند می‌توانند یک الکترون را برای یک مدار الکتریکی آزاد کنند. به عبارت دیگر، پاسخ‌دهی فوتوولتائیک سلول‌های تک‌پیوندگاهی به جزئی از بیناب خورشیدی محدود می‌شود که انرژی‌یشان بیشتر از گاف نوار ماده‌ی جذب‌کننده باشد، و فوتون‌های کم‌انرژی‌تر به کار نمی‌روند.
یک راه برای از میان برداشتن این کرانمندی برای تولید یک ولتاژ، به کار بردن دو (یا بیش از دو) سلول متفاوت، با بیش از یک گاف نوار و بیش از یک اتصال است. اینها به سلول‌های «چندپیوندگاهی» منتسب هستند (و با نام‌های سلول‌های «جفت» و «آبشاری» نیز نامیده می‌شوند). ابزارهای چندپیوندگاهی می‌توانند به بازدهی تبدیل کلی بالاتری دست یابند چرا که توانایی تبدیل بیناب بیشتری از نور به الکتریسیته را دارند.
همان‌گونه که در زیر نشان داده شده است، یک ابزار چندپیوندگاهی درواقع توده‌ای از سلول‌های تک‌پیوندگاهی جداگانه با چینش کاهشی گاف نوار (Eg) است. سلول بالایی فوتون‌های پرانرژی را به دام می‌اندازد و فوتون‌های دیگر را، برای جذب توسط سلول‌های با گاف انرژی کمتر، از خود می‌گذرانند.

بیشتر پژوهش‌های کنونی بر روی سلول‌های خورشیدی چندپیوندگاهی گالیوم آرسنیک، به عنوان یکی از (یا همه‌ی) سلول‌های جزء تمرکز کرده‌اند. چنین سلول‌هایی به بازدهی‌هایی در حدود ۳۵٪ در زیر نور خورشید متمرکز شده می‌رسند. مواد بررسی شده‌ی دیگر برای ابزارهای چندپیوندگاهی امورفوس سیلیکون و مس ایندیوم دیسلیناید بوده‌اند.

به عنوان یک نمونه، دستگاه چندپیوندگاهی زیر، دربردارنده‌ی یک سلول بالایی گالیوم ایندیوم فسفاید، «یک پیوندگاه تونلی»، برای یاری رساندن به شار الکترون‌های میان سلول‌ها، و یک سلول زیرین گالیوم آرسنیک، است.