|
|
انرژي خورشيدي |
شايد ماشين حساب‌هايي را كه سلولهاي خورشيدي دارند ديده باشيد (ماشين‌حساب‌هايي كه هرگز به باطري نياز ندارند و برخي از آن‌ها حتي دكمه‌ي خاموش هم ندارند و وقتي نور به اندازه‌ي كافي وجود داشته باشد، به نظر مي‌رسد كه تا ابد كار مي‌كنند. ممكن است صفحه‌هاي خورشيدي بزرگ‌تر را نيز ديده باشيد). بر روي تابلو‌هاي جاده‌اي اضطراري يا جعبه‌هاي پيل، به روي شناور‌‌ها، حتي در محوطه‌ي پاركينگ‌ها كه لامپ‌ها را روشن نگه مي‌دارند. اگرچه اين صفحه‌هاي بزرگ خورشيدي براي به كار بردن در ماشين حساب‌ها متداول نيستند، و اگر بدانيد كجا دنبال‌شان بگرديد، كشف آن‌ها دشوار نيست. رديف سلولهاي خورشيدي بر روي ماهوارهها قرار گرفتهاند كه سيستم‌هاي الكتريكي را به كار مي‌اندازند.
احتمالاً شما نيز ممكن است «انقلاب خورشيدي» طي 20 سال گذشته چيزهايي شنيده‌ايد. اين عقيده كه روزي برق كاملاً رايگان را از خورشيد مي‌گيريم. چنين حرفي قولي اغوا كننده است: «در روشنايي يك روز آفتابي تابش خورشيد حدود 1000 ولت انرژي در مجذور متر از سطح صفحه‌ها است و اگر بتوانيم كُل انرژي را جمع آوري كنيم، خانه‌‌ها و محل كارمان را به آساني و به‌صورت رايگان مي‌توانيم روشن كنيم.»
|
|
حال به بررسي نحوه‌ي تبديل انرژي خورشيدي به برق مي‌پردازيم. در اين فرايند متوجه مي‌شويم كه چرا در پي جمع آوري انرژي خورشيد براي كاربرد روزانه هستيم و چرا پيش از رسيدن به مرحله‌ي «ارزش مؤثر» براي عملي شدن آن، همچنان تحقيقات بيشتري انجام مي‌دهيم.
|
سلولهاي فوتو ولتايي: تبديل فوتون به الكترون |
سلولهاي خورشيدي كه بر روي ماشين‌حسا‌ب‌ها و ماهوارهها مي‌بينيد، سلول‌ها يا اتاقك‌هاي فوتو‌ولتايي هستند (اين اتاقك‌ها در واقع گروهي از سلولهاي الكتريكي متصل به هم هستند و طبق قاعده‌اي خاص بسته‌بندي مي‌شود). فوتو ولتاها درست مانند پيغامي ضمني هستند (فوتو = نور ، ولتا = الكتريسيته)؛ نور خورشيد مستقيماً به برق تبديل مي‌شود. قبل‌ها تقريباً فقط در فضا به كار مي‌رفت؛ فوتو ولتاها بيشتر و بيشتر به شيوه‌هايي كم‌تر عجيب مورد استفاده قرار گرفتهاند. آن‌ها حتي مي‌توانند خانه‌هايتان را روشن كنند. اين قطعات چگونه كار مي‌كنند؟
سلولهاي فوتو ولتايي (PV) از مواد مخصوصي به نام نيم‌رسانا ساخته مي‌شوند مانند سيليكون كه معمولاً بيش‌ترين كاربرد را دارد. اساساً وقتي نور به سلول برخورد كند، بخش معيني از آن جذب و ماده‌ي نيمه‌رسانا مي‌شود. اين يعني انرژي نور جذب شده به نيمه رسانا منتقل مي‌شود. اين انرژي به الكترونهاي سُست ضربه مي‌زند و به آن‌ها اجازه‌ي حركت مستقل را مي‌دهد. سلولهاي PV همگي يك يا چند ميدان الكتريكي دارند كه براي اعمال نيرو الكترونهاي آزاد به‌وسيله‌ي جذب نور براي جاري شدن در يك جهت معين در كنش هستند.
اين نوع جاري شدن الكترون‌ها يك جريان است، و با فلز واقع در بالا و پايين سلول PV متصل است، مي‌توانيم دريابيم كه جريان مورد استفاده، سطحي است. براي مثال اين جريان يك ماشين حساب را مي‌تواند به كار اندازد. همچنين همراه با ولتاژ سلول (كه حاصل ميدان‌هاي الكتريكي يا ميدان وجود دارد) تواني برحسب وات كه سلول خورشيدي مي‌تواند توليد كند را تعيين ميكند.
اين مرحله‌ي اصلي است، ولي در واقع مراحل بيشتري وجود دارند. بياييد نگاهي عميق‌تر به نمونه‌اي از سلول PV داشته باشيم: يك سلول سيليكوني تك بلوري.
|
سيليكون چگونه سلول خورشيدي را مي‌سازد؟ |
سيليكون خواص شيميايي ويژ‌ه‌اي بخصوص در ساختار بلورينش دارد. يك اتم سيليكون، 14 الكترون دارد كه در سه پوسته‌ي محتلف روي هم قرار گرفتهاند. دولايه‌ي اول نزديك‌تر به مركز كاملاً پر شده‌اند. ولي لايه‌ي بيروني با داشتن 4 الكترون نيمه‌پر است. به طوري كه اتم سيليكون هميشه در جستجوي راهي براي پر كردن لايه‌ي اخر است (تا 8 الكترون را كامل بگيرد). براي انجام اين كار، اين الكترون‌ها را با 4 تا از اتم‌هاي سيليكون همسايه‌اش شريك خواهد كرد.
هر اتم تمايل دارد كه موقعيت خود را با اتم‌هاي همسايه‌اش حفظ كند، فقط در اين مورد هر اتم از 4 سمت به 4 همسايه‌اش متصل است. اين قالب ساختار بلوري است و ايجاد اين ساختار براي اين نوع سلول PV اهميت دارد.
سيليكون بلوري خالص را تعريف كرديم. سيليكون خالص رساناي ضعيف الكتريكي است، زيرا هيچ‌يك از الكترونهاي آن مثل الكترون‌ها در رساناهاي خوبي چون مس، به اطراف حركت نمي‌كنند. در عوض الكترون‌ها در ساختار بلوري كاملاً قفل شده‌اي قرار دارند. سيليكون در يك سلول خورشيدي كمي تغيير ميكند؛ چراكه همچون يك سلول خورشيدي عمل خواهد كرد.
سلول خورشيدي سيليكون را به همراه ناخالصي‌هايي دارد (اتم‌هاي ديگري با اتم‌هاي سيليكون آميخته مي‌شوند، با تغيير دادن روش‌هايي كه يك ذره‌ي عمل ميكند). معمولاً تصور مي‌كنيم كه ناخالصيها چيزهاي نامطلوبي‌اند. ولي در اينجا سلول بدون وجود ناخالصي به كار نمي‌افتد! اين ناخالصيها به منظور خاصي افزوده مي‌شوند. سيليكون را با يك اتم فسفر در دوطرف در نظر بگيريد؛ شايد براي هر يك ميليون اتم سيليكون فسفر در لايه‌ي خارجي‌اش 5 الكترون دارد نه 4 تا. هميشه با اتم‌هاي سيليكون مجاورش پيوند مي‌خورد، ولي به يك مفهوم، فسفر الكتروني دارد كه از هيچ طرف به چيزي متصل نيست. بخشي از يك پيوند شكل نمي‌گيرد، ولي يك پروتون مثبت در هسته‌ي فسفر آن را در جايي نگه مي‌دارد.
وقتي انرژي به سيليكون خالص اضافه مي‌شود (مثلاً به‌صورت گرما)، مي تواند موجب شود كه پيوند تعدادي از الكترون‌ها شكسته شود و اتم‌هايشان را ترك كنند. يك حفره در هر نمونه از آزاد شده است. سپس اين الكترون‌ها، به طور اتفاقي پيرامون شبكه‌ي بلوري پراكنده مي‌شوند و حفره‌ي ديگري را جستجو مي‌كنند كه درون آن سقوط كنند. اين الكترون‌ها «حامل‌هاي آزاد» ناميده مي‌شوند و مي‌توانند جريان الكتريكي را جابه‌جا كنند. بنابراين تعداد كمي از آن‌ها در سيليكون خالص وجود دارند (هر چند خيلي مفيد نيستند). سيليكون ناخالص كه با اتم‌هاي فسفر تركيب شده داستاني متفاوت دارد. انرژي بسيار كم‌تري براي ضربه زدن به يكي از الكترونهاي سُست «اضافي» فسفر صرف مي‌شود؛ زيرا آن‌ها در يك پيوند، مقيد نشده‌اند (همسايگانشان مانع آن‌ها نشده‌اند). به همين خاطر بيشتر اين الكترون‌ها آزاد مي‌شوند و ما نسبت به سيليكون خالص حامل‌هاي آزاد بسيار ببيش‌تري در سيليكون خالص داريم. اين فرايند اضافه كردن ناخالصي را «ناخالص سازي» مي‌ناميم. سيليكون به‌دست آمده به دليل پخش الكترون هاي آزاد «نوع N» ناميده مي‌شود (Negative). سيليكون آلاييده‌ي نوع N، رساناي بسيار بهتري نسبت به سيليكون خالص است.
در واقع فقط بخشي از سلول خورشيدي از نوع N است. ساير قسمت‌ها با «بور» آلاييده مي‌شوند كه به جاي 4 الكترون فقط 3 الكترون در لايه‌ي بيروني خود دارد، بدين ترتيب سيليكون نوع p مي‌شود. سيليكون نوعp، (Positive)به جاي داشتن الكترونهاي آزاد، حفره‌ي آزاد دارد. حفره‌ها در واقع فقط فقدان الكترون‌ها هستند. پس آن‌ها بار قرينه(+) حمل مي‌كنند. آن‌ها فقط در اطراف الكترو‌هايي با عملكرد مشابه حركت مي كنند.
قسمت جالب وقتي آغاز مي‌شود كه سيليكون نوع N را با سيليكون نوع P به كار ببريد. به ياد داشته باشيد كه هر سلول PV در نهايت يك ميدان الكتريكي دارد. بدون ميدان الكتريكي سلول كار نخواهد كرد، و اين ميدان نيز هنگامي به‌وجود مي‌آيد كه سيليكون نوع N و نوع P در تماس هستند. فوراً الكترونهاي آزاد سمت N كه همديگر جستجوي حفره اي براي سقوط در آن‌ها مي‌باشند، حفره هاي آزاد سمت P را ديده و در يك يورش ناگهاني آن‌ها را پُر مي‌كنند.
|
تشريح يك سلول |
|||
|
پيش از اين، سيليكون از نظر الكتريكي كاملاً خنثي بود. الكترونهاي اضافي توسط پروتون‌هاي اضافي فسفر از تعادل خارج مي‌شوند. الكترونهاي از دست رفته (حفره‌ها) با پروتون‌هاي از دست رفته‌ي بور، تعادل را از بين مي‌برند. وقتي حفره‌ها و الكترون‌ها در پيوندگاه بين سيليكون نوع N , P تركيب مي‌شوند، به هر حال خنثايي از دست مي‌رود. آيا الكترونهاي آزاد همه‌ي حفره‌هاي آزاد را پُر مي‌كنند؟ نه! اگر آن‌ها چنين كنند، پس اين نظم كامل مفيد نخواهد بود. ولي درست در پيوندگاه، آن‌ها آميخته شده و حصاري را به‌وجود مي‌آورند. با سخت‌تر و سخت‌تر كردن آن براي الكترونهاي نوع N كه به سمت P عبور مي‌كنند. در نهايت موازنه برقرار مي‌شود و ما يك ميدان الكتريكي جداگانه‌ي دوجانبه داريم. |
|||
اين ميدان الكتريكي با هل دادن الكترون ها براي جاري شدن از نوع p به نوع N و نه به طريق ديگري همانند ديود عمل ميكند. اين حالت شبيه يك توده است (الكترون‌ها به سادگي مي‌توانند به توده سرازير شوند، ولي نمي‌توانند از آن بالا روند).
بنابراين ما يك ميدان الكتريكي فعال به‌دست آورده ايم؛ مانند يك ديود كه در آن الكترون‌ها فقط مي‌توانند در يك جهت حركت كنند.
هنگامي كه نور در قالب فوتون‌ها، به سلول خورشيدي برخورد كنند، انرژي آن‌ها زوج الكترون-حفره آزاد ميكند. هر فوتون با انرژي كافي معمولاً يك الكترون را به طور كامل آزاد خواهد كرد و يك حفره‌ي آزاد را نيز نتيجه مي‌دهد.
اگر اين رويداد به قدر كافي به ميدان الكتريكي نزديك باشد، يا اگر الكترون آزاد و حفره‌ي آزاد رويداد انحراف به درون گستره‌ي تأثيرش رخ دهد، اين ميدان الكترون را به سمت N و به سمت P حفره گسيل خواهد كرد. اين بيشتر در نتيجه‌ي اتمام خنثايي الكتريكي است و اگر ما يك مسير جريان سطحي را به‌وجود آوريم، الكترون‌ها در سراسر مسير در جهت اصلي‌‌شان (سمت P) براي پيوستن به حفره‌هايي كه انجام كار ميدان الكتريكي به آن‌جا گسيل شده، جريان مي‌يابند. حركت الكترون جريان را توليد ميكند، و ميدان سلول ولتاژ را به‌وجود مي‌آورد. با داشتن جريان و ولتاژ توان را داريم كه حاصل‌ضرب اين دو خواهد بود.
|
|
مراحل بيشتري هستند كه پيش از آن‌كه ما واقعاً بتوانيم از سلول استفاده كنيم رها مي‌شوند. سيليكون پيش مي‌آيد كه ماده‌ي بسيار صيقلي باشد، كه به معني اينست كه بسيار بازتابننده است. فوتون‌هايي كه بازتابنده‌اند نمي‌توانند توسط سلول به كار روند. به همين علت، يك اندود ضد انعكاس در بالاي سلول به كار رفته كه اتلاف ب
نظرات شما عزیزان: