سلول های خورشیدی و عملکرد آن ها

چکیده  

     دراین بررسی نانو ساختارهای متنوع در طراحی های جدید سلول های خورشیدی و حالت های ارتقاء سلول های خورشیدی مرسوم توصیف می شوند. طراحی های سلول و ارتقاء بخشی، توسط نوع نانوساختارهای استفاده شده دسته بندی می شوند. a) مواد نانوساختاری توده ای(3D)[1] ، b) چشمه های کوانتوم [2](2D) ، c) نانوسیم ها  [3](1D)، d) نانوذرات کوانتوم [4](0D). ابتدا روش های ساختن چنین ساختارهایی توصیف می شود سپس با مثلا هایی از نوشته ها و چگونگی استفاده از آنها در کاربرد های فتوولتائیک بیان می شود درگیری های علمی وابسته به ابزارهای نانوساختاری فتوولتائیک نیز مورد بحث قرار می‏گیرند و با چشم اندازه‏هایی برای استفاده درکاربردهای واقعی دنبال می شود.

   سپس به طور جزئی تر در مورد نوعی از سلول های خورشیدی به نام سلول های حساس شده با رنگ بحث می کنیم.عملکرد سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ [5] اساساً بر پایه رنگ به عنوان حساس کننده است. رنگ های طبیعی به دلیل قیمت پائین دسترسی آسان فراوانی منابع مواد خام و تهدید نکردن محیط یک روش پیشنهادی برای حساس کننده های آلی نادر و گران هستند.

     اجراء مختلف یک گیاه مثل گلبرگ‏های گل، برگ ها، و پوست شان به عنوان حساس کننده‏ها مورد آزمایش قرار گرفتند. طبیعت این رنگ دانه ها با یکدیگر به همراه دیگر پارامترها منجر به عملکردهای مختلفی شده است. این بررسی به طور مختصر در مورد ظهور، عملکرد و اجزاء سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ و تحقیقات انجام شده روی سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ طبیعی در این سالها بحث می کند.

 نانوساختارهای قدرت زای نوری (فتوولتائیک[6])

1.1.  مقدمه

در سال های اخیر منابع انرژی تجدید پذیر مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. خصوصاً به دلیل افزایش قیمت جهانی نفت که روی  فاکتورهای اقتصادی و سیاسی جغرافیایی اثر می گذارد و همچنین نگرانی عمومی راجع به گرمای جهان که با انتشار گازهای گلخانه ای درخلال تولید قدرت اولیه، توسط تجهیزات انتقالی تشدید می شود.

با وجود اینکه روش های زیادی برای مکمل نفت به عنوان یک منبع اولیه انرژی در نظر گرفته می‏شوند، به نظر می رسد منابع انرژی تجدید پذیر به عنوان روشی هستند که در درازمدت اقتصاد صنعتی را از تکیه بر نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی رها می سازند. این انرژی ها شامل باد، پیل های سوختی، پیل‏های خورشیدی، حرارت مرکزی زمین، بیوسوخت ها و… می باشند.

تبدیل انرژی خورشیدی شاید خوشایندترین روش در میان بقیه راه حل ها باشد چون منبع انرژی به آسانی در دسترس است. در واقع انرژی ای که خورشید در یک ساعت بر زمین می‏تاباند بیشتر از مقدار انرژی‏ای است که در مدت یک سال توسط بشر مصرف می شود. همچنین روش های خورشیدی بیشتر قابل درک و تصور برای عموم هستند، چون آنها به صورت شهودی و بصری، بزرگی طبیعی منبع را درک می کنند. جنبه های تبدیل نور به الکتریسیته برای اولین بار در سال 1839 توسط ادموند بکورل[7] با کشف اثر فتوولتائیک (PV) معرفی شد.

در هر حال، اولین نمایش تجاری پیل خورشیدی، 100سال بعد با اختراع سلول های کریستالی بر پایه Si که برای اولین بار در جهان توسط محققان آزمایشگاه بل[8] در سال 1954 اتفاق افتاد. اولین سلول Si بازده ای حدود 4% داشت و از آن پس محققان در صدد تولید و به صورت تجاری در آوردن پیل های خورشیدی با بازده‏ی بالا و هزینه ساخت کم هستند. در 50 سال بعد پیل های Si  با بازده ای نزدیک به %25 تولید شدند که خیلی نزدیک به محدوده‏ی تئوری برای اتصال منفرد تحت %31 روشنایی خورشیدی است.

متأسفانه چنین پیل‏های خورشیدی توده‏ای[9] Si که بازده ی بالایی دارند برای تولید انبوه خیلی گران هستند. در واقع بیشتر پیل های خورشیدی تجاری امروزی که به صورت مولکولی بسته بندی می شوند بازده‏ای حدود %17-16 دارند و ارتباطی بین صنعت PV و انجمن‏های فروشنده و مصرف کننده وجود دارد که بازده پیل را به همراه کاهش هزینه افزایش می دهد. طوری که اگر تکنولوژی PV به طور گسترده برای نیازهای اولیه و ثانویه ی انرژی مورد استفاده قرار بگیرد این قضیه بحرانی (مهم) می شود.

سیلیکون یک ماده ی نیمه رسانای ایده‏آل برای تبدیل انرژی خورشیدی نیست. بند گپ[10] غیرمستقیم Si موجب می شود بازده جذب سطحی نوری کم شود، چون نیازمند انتشار یا پراکنده سازی[11] فنون[12] با فوتون‏ها[13] به منظور حفظ اندازه حرکت کریستال می باشد.

نمونه چند صفحه از پایان نامه سلول های خورشیدی و عملکرد آن ها

در نتیجه ضخامت مورد نیاز Si برای جذب %90 نور خورشید (از کل فوتون های انرژی بالای بند گپ) حدود μm125 است در حالیکه ضخامت مورد نیاز برای یک ماده یا بند گپ مستقیم مثل GaAs حدود 0.9 μm است. دلیل اصلی اینکه چرا امروزه سیلیکون به ماده‏ای برای استفاده در صنعت PV تبدیل شده این واقعیت است که این ماده از نظر فراوانی دومین عنصر در پوسته‏ی زمین است و این باعث می شود سیلیکون یک نیمه رسانای ارزان باشد (ضمناً، این ماده احتمالا علمی‏ترین و تکنیکی ترین ماده مطالعه شده در تاریخ علم است).

بنابراین، سیلیکون زمانی که به عنوان یک ماده نیم هادی شناخته شده اولین سلول خورشیدی ابداع گردید، آمورزه تکنولوژی پایداری قوی‏ای برای سیلیکون به دلیل موفقیت در صنایع الکترونیکی که می توانند به طور مستقیم از ساخت انبوه پیل های خورشیدی بر پایه ی Si به کار گرفته شوند. اگر چه این ماده خیلی فراوان است اما برای اینکه در کاربردهای خورشیدی مفید باشد به یک سطح خلوص min نیاز دارد، اما نه سطحی از خلوص که برای صنعت الکترونیکی نیاز است.

تا همین اواخر، سیلیکون استفاده شده در صنعت PV امروزی از صنعت الکترونیکی محاسباتی که عملکرد بالایی دارد بازیافت می‏شود که این منجر به کمبود مواد Si PV مناسب می شود. این روند ادامه می یابد تا اینکه هم اکنون سرمایه گذاری های قابل توجهی در کارخانجات تولید قرص هایSi [14]  برای صنعت خورشیدی انجام شده است.

بحث بالا منجر به سه سوال کلیدی در مورد PV  می شود:

• چطور می توان بازده پیل های خورشیدی را به حد قابل مقایسه ای با دیگر منابع انرژی افزایش داد؟
• چطور می توان قیمت پیل های خورشیدی را به یک سطح مناسب برای تولید اولیه و ثانویه انرژی کاهش داد؟
• چطور می توان به هر دوی این اهداف در یک مدل پیل خورشیدی و فرآیند ساخت مربوطه دست یافت؟

نمودار شناخته شده ای است که توسط گرین[15]  رسم شده و بازده پیل را بر حسب قیمت در واحد سطح برای تکنولوژی های معمول  PVنشان می دهد. خصوصاً Si توده ای، فیلم‏های نازک و همچنین نسل سوم؛ روش هایی (تکنولوژی هایی) که هنوز هم تعریف شده هستند. ارجاع به این شکل در بحث بعدی صورت می گیرد.

بازده پیل خورشیدی به عنوان تابعی از قیمت در واحد سطح برای وضعیت موجود پیل های خورشیدی را نشان می دهد. پیل های نسل بر پایه Si منفرد، توده ای و پلی کریستالی هستند. پیل های نسل II بر فیلم های نازک از ترکیبات متنوعی می باشند و پیل های نسل III مفاهیم متنوع تبدیل انرژی مورد نظر را مورد استفاده قرار می‏دهند. تنها پیل خورشیدی چند اتصال نسل III تا به امروز از نظر قیمت ثابت شده اند، اما باز هم قیمت آنها نسبت به محدوده ی نسل III که در اینجا شرح داده می شود گران است. سلول های خورشیدی و عملکرد آن ها

سوالات بالا منجر به سوال دیگری می‏شوند که موضوع اصلی این مقاله است: آیا می توان در نانوتکنولوژی برای پاسخ دادن به سوالات بالا استفاده کرده؟ اگر می شود، چگونه؟

به دلیل اینکه صنعتPV  در چند سال اخیر با سرعت %40-30 حدود 11 میلیارد دلار رشد کرده (در سال  2006  و تخمین زده می شود در سال 2008 حدود 178 میلیارد دلار) و انتظار می رود که این روند در دهه ی بعدی نیز ادامه یابد، تحقیقات PV و انجمن های صنعتی توجه زیادی به پاسخ به این سوالات دارند. خلاصه مختصری از رویکردهای مربوطه به دو سوال اول شرح داده خواهد شد؛ توسط یک توضیح کلی از اینکه چگونه رویکردهای پیشنهادی با بکارگیری ساختارهایی در مقیاس نانو قادر به پاسخگویی به سوال سوم هستند.

1. • مفاهیم تبدیل با بازده بالا

همانطور که دربالا ذکر شده بازده محدود از اتصال منفرد 31% است، جالب توجه است که مقالات اولیه ای که اندکی پس از ارائه اولین سلولSi  توسط آزمایشگاه بل منتشر شد برآورد کردند که بازده % 21.6 است؛ تا اینکه شاکلی[16] و کوییسر[17] اولین نظریه تعادل دقیق را مطرح کردند، که نشان می داد بازده %31 است. از آن زمان به بعد این بازده توسط کر[18] و دیگران اصلاح شد آنها از محاسبات سلول های خورشیدیSi  استفاده کردند و در این محاسبات از باز ترکیب آگر[19] استفاده شد که بازده تقریباً %29 تخمین زده شد.

اگر کسی محاسبات کلی‏تری را در مورد بازده تبدیل انرژی خورشیدی انجام دهد، ممکن است حد ترمودینامیکی حدوداً 85% نشان داده شود اما همانطور که در ادامه بیان می شود ما به این سطح نرسیدیم و تقریباً می‏شود با اطمینان گفت که هرگز نخواهیم رسید.

بازده ترمودینامیکی بند گپ منفرد با فرض تابش جسم سیاه تقریبا %44 است که بازده نهایی نامیده می شود. شاکلی و کوییسر حد بازده را طبق تعادل دقیق و در نظر گرفتن شکل، شاخص بازتابشی سلول خورشیدی، طیف واقعی خورشیدی، غلظت و باز ترکیب تابشی تقریباً %31 بدست آورده اند.

تعدادی روش که به خوبی تفسیر شده اند برای افزایش بازده سلول های خورشیدی بیشتر از حد اتصال منفرد (31%) وجود دارد که می توانند آن را  به حد ترمودینامیکی نزدیک کنند. این به رویکردهای دسته معمول سلول های خورشیدی نسل سوم بر می گردد که بخوبی توسط گرین تعریف شده است (شکل 1.1 را ببینید). سلول های خورشیدی توده ای Si در تکنولوژیهای نسل I در نظر گرفته می‏شوند. درحالیکه سلولهای نسل II بر پایه تکنولوژی های فیلم نازک هستند که موجب می شود بتوان از مواد جاذب نازک تری که قیمت ماده کمتری دارند و بنابراین قیمت سلول را کاهش می‏دهند استفاده کرد.

سلول های نسل سوم بر پایه چندین ساختار پیوند و روشهای جدید تبدیل انرژی هستند (در ادامه شرح داده می شود) که پتانسیل رسیدن به بازده های بالاتر از حد اتصال منفرد را دارند. انتظار می رود چنین تکنولوژیهایی که هنوز هم در حال ظهورند همچنین قادر خواهند بود تا به سطح قیمت مشابه یا حتی بهتر از تکنولوژی‏های نسلII  برسند.

دلیل اصلی اینکه سلول‏های خورشیدی اتصال منفرد (یگانه) بازده محدود تقریباً  %1 3دارند این است که آنها بخش قابل توجهی (تقریباً 20%) از فوتون ها در طیف خورشیدی را که زیر بند گپ انرژی هستند جذب نمی‏کنند. این فوتون ها به راحتی از دست می روند، از طرف دیگر فوتون های پرانرژی به علت گرماسازی حامل های بار پرانرژی در باند تبدیل که به دلیل پراکندگی فوتون می باشد از دست می روند. همانطور که هنری اثبات کرد؛

این قضیه به طور برجسته توسط رسم شدت جذب خورشیدی یک نیمه هادی به صورت تابعی از انرژی باندگپ و تطبیق نموداری از عملکرد وسیله ای که شامل باز ترکیب تابشی می باشد، نشان داده می شود. همچنین چنین آنالیزی، بازده ی تقریبی%31 که برای باند گپ بهینه eV1.45-1.35 در یک طیف خورشیدی مورد انتظار است، نتیجه می‏دهد. اگر ما مکانیزم های دیگری که در سطح دستگاه صورت می گیرند مانند بازتابش و باز ترکیب غیر تابشی را اضافه کنیم، بدیهی است که بازده به سرعت از مقدار %31 نزول می کند.

سلول های چند اتصاله (MJC)[20] موجب جذب محدوده ی وسیع تری از طول موج های طیف خورشیدی می شوند که توسط سلول های خورشیدی ترکیب شده از باند گپ های مختلف در یک دسته سری (پشت سر هم) انجام می‏شود. سلول های خورشیدی و عملکرد آن ها

یک تئوری کلی بر پایه باند گپ های 4-2 و بیشتر (نامحدود) نشان می‏دهد که بازده تئوری برای اتصالات چهارتایی تحت غلظت ماکزیمم تقریبا %71 است. این تنها رویکرد سلول خورشیدی با بازده بالاست که به صورت آزمایشگاهی آن کار شده و اخیراً با وسیله ای 3 اتصاله تحت روشنایی خورشیدی 240  با بازده %47 کارکرد. ساختار اصلی چنین سلول هایی یک توده فیلمی نازک چند لایه ای است که روی یک زیر لایه ی Ge با اتصالات تونلی بیابین هر کدام از سلول های باند گپ رشد می یابد.(شکل 2.1) هم اکنون این سلول ها گران هستند (بیشتر از$/w 7) و در کاربردهای فضایی استفاده می شود، بعلاوه سیستم های متمرکز کننده زمینی در ایستگاه های انرژی خورشیدی در جایی که فضای کمی دارد لازم است.

روش دیگری که منجر به بازده بالا می شود باند میانی (IB)[21] سلول خورشیدی می باشد. در واقع هدف جذب بیشتر از طیف خورشیدی است، که در این مورد به معرفی حالت هایی در باند گپ یک ماده نیمه هادی می‏پردازیم که در آنها فوتون های کم انرژی بتوانند در یک فرآیند دو فوتونه که حامل های بار را به باند هدایت[22] ارتقاء می دهند، جذب شوند.(شکل 3.1)

ساختار باند میانی که باند والانس (VB)، باند میانی (IB)، و باند رسانایی (CB)، انتقال بین این باند ها (A)، سطوح شبه فرمی بین هر باند (ε)، و پتانسیل های شیمیایی تعریف شده به عنوان اختلاف بین سطوح شبه فرمی مربوط به هر باند (μ)

نحوه عملکرد سلول خورشیدی

چنین ساختار باندی بازده تقریبا 60% خواهد داشت و بنابراین امیدوار کننده است؛ اگر چه تا به حال مواد توده ای بسیار کمی چنین حالت های میانی را دارا بودند. یکی از این  مواد سیستم ZnCdTe است که توسط یو[23] و دیگران و با استفاده از نمونه های توده ای که از القای پر انرژی اکسیژن و فرآیند لیزری باز تبلور (تبلور دوباره) [24]بدست آمده اند اثبات شده است. هنوزم درگیری‏هایی برای چنین مواردی وجود دارد:

• باید یک روش دوپ کردن[25] p-n [26] برای جداسازی حامل های بار توسعه داده شود.
• در چنین موادی باید مسئله باز ترکیب غیر باز تابشی مشخص از نظر پتانسلی مرتب شود.
• با فرض اینکه مسائل بالا حل شدند، نیاز است که یک فرآیند قابل ساخت توسعه داده شود.

       مواد دیگری نیز از نظر تئوری مطالعه شدند اما از نظر آزمایشگاهی ثبت نشده اند. استفاده از گروه های کوانتوم وات برای تشکیل یک ساختار باند میانی موثر (مینی باندها[27]) توسط لوکو[28] و همکارانش مورد مطالعه قرار گرفت و آنها نتایج اولیه امیدوار کننده ای ارائه دادند. درگیری های فنی برای این روش شامل جذب انتقال بار و مسائل قابلیت ساخت می باشد که باید توسط تحقیقات آتی مورد بررسی قرار گیرد. درحال حاضر رویکرد سلول خورشیدی IB در تحقیقات اخیر وجود دارد. بنابراین این روش ها در وسایل PV آتی مورد توجه فراوان قرار می گیرند.

[1] Bulk nanostructured

[2] Quantum wells

[3] nanowires

[4] Quantum dots/nanoparticles

(یک کوانتوم دات بخشی از ماده است که نیروی جاذبه اگزایتون آن در هر سه جهت فضایی وجود دارد)

[5] Dye-sensitized solar cell

[6] Photovoltaic

[7] Edmond Becquerel

[8] Bell

[9] Bulk

[10] Bandgap

[11] Scattering

[12] Phonon

[13] Photon

[14] Wafer

[15] Green

[16] Shockley

[17] Queisser

[18] Kerr

[19] Auger

[20] Multi junction cells

[21] Intermediate band

[22] Conduction band

[23] Yu

[24] Recrystallization

[25] Doping

[26] N-type & p-type

[27] Mini-band

[28] Luque

سلول های خورشیدی و عملکرد آن ها

فهرست مطالب

چکیده

1. بخش اول: نانو ساختار های قدرت زای نوری (فتوولتائیک)
   • مقدمه
     • مفاهیم تبدیل با بازده بالا

2.1.1. سلول های خورشیدی لایه نازک

            2.1. مفاهیم نانو ساختاری

                  1.2.1. نانو کامپوزیت ها و مواد پلی کریستالی نانو ساختاری

                  2.2.1. سلول های خورشیدی کوانتوم ول

                  3.2.1. نانو سیم ها و نانو لوله ها

                  4.2.1. کوانتو دات ها و نانو ذرات

            3.1. چالش های فنی عمومی

            4.1. خلاصه و چشم انداز

2. بخش دوم:سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ

1.2. سابقه سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ

2.2. عملکرد DSSC ها سلول های خورشیدی و عملکرد آن ها

3.2. اجزاء DSSC ها

     1.3.2. حساس کننده های مولکولی

     2.3.2. الکترود های نیمه رسانای فیلمی

     3.3.2. الکترولیت

              1.3.3.2. الکترولیت مایع

               2.3.3.2. پلیمرهای رسانای حالت جامد

     4.3.2. الکترود شمارنده

4.2. رنگ های طبیعی

     1.4.2. رنگی شدن گیاه

              1.2.4.2.کاروتنوئید ها

              1.2.4.2. فلاونوئید ها

              3.2.4.2. آنتوسیانین ها

5.2. پارامترهای الکتروشیمیایی

6.2. آماده سازی محلول رنگ و الکترود ها

7.2. چرا عملکرد DSSC با پایه رنگ طبیعی پائین است؟

8.2. پیشنهادات

9.2. نتیجه گیری

مراجع