اصل سلول خورشیدی

خورشید بر روی پیوند pn نیمه هادی می تابد تا یک جفت حفره-الکترون جدید تشکیل دهد. تحت تأثیر میدان الکتریکی داخلی در پیوند pn، حفره‌های تولید شده توسط عکس به ناحیه p و الکترون‌های تولید شده توسط عکس به ناحیه n جریان می‌یابند. پس از اتصال مدار، جریان تولید می شود. این اصل کار سلول های خورشیدی اثر فوتوالکتریک است.
دو روش برای تولید انرژی خورشیدی وجود دارد، یکی تبدیل نور به گرما به الکتریسیته و دیگری تبدیل مستقیم نور به الکتریسیته.
تبدیل فتوترمال-الکتریکی
حالت تبدیل نور-گرما-الکتریسیته با استفاده از انرژی گرمایی تولید شده توسط تابش خورشیدی، الکتریسیته تولید می کند. به طور کلی، انرژی گرمایی جذب شده توسط کلکتور خورشیدی به بخار محیط کار تبدیل می شود و سپس توربین بخار برای تولید برق رانده می شود. فرآیند اول فرآیند تبدیل نور به گرما است. فرآیند دوم، فرآیند تبدیل گرما به الکتریسیته است که همانند تولید برق حرارتی معمولی است. عیب تولید برق حرارتی خورشیدی این است که راندمان آن بسیار کم و هزینه آن بسیار بالا است. تخمین زده می شود که سرمایه گذاری آن حداقل 5 تا 10 برابر بیشتر از نیروگاه های حرارتی معمولی باشد. یک نیروگاه حرارتی خورشیدی 1000 مگاواتی به سرمایه گذاری 2 تا 2.5 میلیارد دلاری نیاز دارد که میانگین سرمایه گذاری 1 کیلووات بین 2000 تا 2500 دلار آمریکا است. بنابراین، آن را فقط می توان برای مناسبت های خاص در مقیاس کوچک اعمال کرد، در حالی که استفاده در مقیاس بزرگ اقتصادی نیست و نمی تواند با نیروگاه های حرارتی معمولی یا نیروگاه های هسته ای رقابت کند.
تبدیل مستقیم نوری-الکتریکی
تولید انرژی سلول خورشیدی با توجه به خواص فوتوالکتریک مواد خاص ساخته می شود. اجسام سیاه (مانند خورشید) امواج الکترومغناطیسی با طول موج های مختلف (مرتبط با فرکانس های مختلف) مانند مادون قرمز، فرابنفش، نور مرئی و غیره را ساطع می کنند. هنگامی که این پرتوها به رساناها یا نیمه هادی های مختلف تابش می شوند، فوتون ها با الکترون های آزاد در هادی ها برهم کنش می کنند. یا نیمه هادی ها برای تولید جریان. هر چه طول موج کوتاهتر و فرکانس پرتو بیشتر باشد، انرژی آن بیشتر است. به عنوان مثال، انرژی اشعه ماوراء بنفش بسیار بیشتر از انرژی اشعه مادون قرمز است. با این حال، انرژی پرتوهای تمام طول موج ها را نمی توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. شایان ذکر است که اثر فتوولتائیک مستقل از شدت پرتوها است. جریان تنها زمانی می تواند تولید شود که فرکانس به آستانه ای برسد که می تواند اثر فتوولتائیک را ایجاد کند یا از آن فراتر رود. حداکثر طول موج نوری که می تواند باعث ایجاد اثر فتوولتائیک توسط نیمه هادی شود به عرض شکاف باند نیمه هادی مربوط می شود. به عنوان مثال، عرض شکاف نواری سیلیکون کریستالی در دمای اتاق حدود 1.155eV است. بنابراین، تنها نور با طول موج کمتر از 1100 نانومتر می‌تواند باعث ایجاد اثر فتوولتائیک در سیلیکون کریستالی شود. تولید انرژی سلول خورشیدی یک روش تولید انرژی تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست است. گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن تولید نمی کند و محیط زیست را آلوده نمی کند. با توجه به مواد تولیدی، می توان آن را به باتری نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون، باتری فیلم نازک CdTe، باتری فیلم نازک CIGS، باتری فیلم نازک حساس به رنگ، باتری مواد آلی و غیره تقسیم کرد. در میان آنها سلول های سیلیکونی به تک کریستال تقسیم می شوند. سلول ها، سلول های پلی کریستالی و سلول های لایه نازک سیلیکونی آمورف. مهمترین پارامتر برای سلول های خورشیدی راندمان تبدیل است. در میان سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون که در آزمایشگاه توسعه یافته‌اند، راندمان سلول‌های سیلیکونی مونو کریستال 25 درصد، بازده سلول‌های سیلیکونی پلی کریستالی 20.4 درصد، راندمان سلول‌های لایه نازک CIGS 19.6 درصد، راندمان سلول‌های C در T است. 16.7 درصد است و راندمان سلول های لایه نازک سیلیکون آمورف (سیلیکون آمورف) 10.1 درصد است.
سلول خورشیدی نوعی عنصر فوتوالکتریک است که می تواند انرژی را تبدیل کند. ساختار اصلی آن با ترکیب نیمه هادی های نوع P و نوع N ساخته شده است. اساسی ترین ماده نیمه هادی ها "سیلیکون" است که نارسانا است. با این حال، اگر ناخالصی های مختلف در نیمه هادی ها مخلوط شوند، می توان آنها را به نیمه هادی های نوع P و N تبدیل کرد. سپس، نیمه هادی های نوع P دارای یک حفره هستند (نیمه هادی های نوع P یک الکترون کمتر با بار منفی دارند که می توان آن را یک بار مثبت بیشتر در نظر گرفت)، و نیمه هادی های نوع N یک اختلاف پتانسیل الکترون آزاد بیشتر برای تولید جریان دارند. هنگامی که خورشید می تابد، انرژی نور، الکترون های اتم سیلیکون را تحریک می کند تا همرفت الکترون ها و حفره ها را ایجاد کند. این الکترون ها و حفره ها تحت تأثیر پتانسیل داخلی قرار می گیرند و به ترتیب توسط نیمه هادی های نوع N و P جذب می شوند و در هر دو انتها جمع می شوند. در این زمان، اگر بیرون با الکترودها متصل شود تا یک مدار تشکیل شود، این اصل تولید انرژی سلول خورشیدی است.
به طور خلاصه، اصل تولید برق فتوولتائیک خورشیدی استفاده از سلول‌های خورشیدی برای جذب نور خورشید با طول موج 0.4 μm-1.1 μM (برای کریستال سیلیکون) است که مستقیماً انرژی نور را به الکتریکی تبدیل می‌کند. خروجی انرژی
از آنجایی که الکتریسیته تولید شده توسط سلول های خورشیدی جریان مستقیم است، در صورت نیاز به برق رسانی به لوازم خانگی یا وسایل برقی مختلف، لازم است قبل از تامین برق خانگی، مبدل DC/AC برای جایگزینی آن با برق AC نصب شود. قدرت صنعتی
توسعه شارژ سلول های خورشیدی کاربرد سلول های خورشیدی در کالاهای مصرفی بیشتر مشکل شارژ را دارد. در گذشته، اشیاء شارژ عمومی از سلول‌های خشک NiMH یا NiCd استفاده می‌کردند، اما سلول‌های خشک NiMH نمی‌توانند در برابر دمای بالا مقاومت کنند و سلول‌های خشک NiCd مشکل آلودگی محیطی را دارند. با توسعه سریع ابرخازن ها، ظرفیت زیاد، منطقه ضد انقباض و قیمت پایین، برخی از محصولات خورشیدی شروع به استفاده از ابرخازن ها به عنوان اشیاء شارژ کردند، بنابراین بسیاری از مشکلات شارژ خورشیدی را بهبود بخشیدند:
شارژ سریع،
عمر سرویس بیش از 5 برابر بیشتر است،
محدوده دمای شارژ گسترده است،
کاهش مصرف سلول های خورشیدی (قابلیت شارژ در ولتاژ پایین)