تبلیغات
پایگاه علمی سینوس

اسلایدر


 
برای تعجیل در فرج امام عصر (عج) یک صلوات با "وعجّل فرجهم" از ته دل بفرست

سلول‌های خورشیدی چطور كار می‌كنند؟

نویسنده : سرباز گمنام | تاریخ : 10:49 ب.ظ - جمعه 11 اسفند 1391

مقدمه

شاید ماشین حساب‌هایی را كه سلول‌های خورشیدی دارند دیده باشید (ماشین‌حساب‌هایی كه هرگز به باطری نیاز ندارند و برخی از آن‌ها حتی دكمه‌ی خاموش هم ندارند و وقتی نور به اندازه‌ی كافی وجود داشته باشد، به نظر می‌رسد كه تا ابد كار می‌كنند. ممكن است صفحه‌های خورشیدی بزرگ‌تر را نیز دیده باشید). بر روی تابلو‌های جاده‌ای اضطراری یا جعبه‌های پیل، به روی شناور‌‌ها، حتی در محوطه‌ی پاركینگ‌ها كه لامپ‌ها را روشن نگه ‌می‌دارند. اگرچه این صفحه‌های بزرگ خورشیدی برای به كار بردن در ماشین حساب‌ها متداول نیستند، و اگر بدانید كجا دنبال‌شان بگردید، كشف آن‌ها دشوار نیست. ردیف سلول‌های خورشیدی بر روی ماهواره‌ها قرار گرفته‌اند كه سیستم‌های الكتریكی را به كار می‌اندازند.

احتمالاً شما نیز ممكن است «انقلاب خورشیدی» طی 20 سال گذشته چیزهایی شنیده‌اید. این عقیده كه روزی برق كاملاً رایگان را از خورشید می‌گیریم. چنین حرفی قولی اغوا كننده است: «در روشنایی یك روز آفتابی تابش خورشید حدود 1000 ولت انرژی در مجذور متر از سطح صفحه‌ها است و اگر بتوانیم كُل انرژی را جمع آوری كنیم، خانه‌‌ها و محل كارمان را به آسانی و به‌صورت رایگان می‌توانیم روشن كنیم.»


حال به بررسی نحوه‌ی تبدیل انرژی خورشیدی به برق می‌پردازیم. در این فرایند متوجه می‌شویم كه چرا در پی جمع آوری انرژی خورشید برای كاربرد روزانه هستیم و چرا پیش از رسیدن به مرحله‌ی «ارزش مؤثر» برای عملی شدن آن، همچنان تحقیقات بیش‌‌تری انجام می‌دهیم.


  سلول‌های فوتو ولتایی: تبدیل فوتون به الكترون

سلول‌های خورشیدی كه بر روی ماشین‌حسا‌ب‌ها و ماهوار‌ه‌ها می‌بینید، سلول‌ها یا اتاقك‌های فوتو‌ولتایی هستند (این اتاقك‌ها در واقع گروهی از سلول‌های الكتریكی متصل به هم هستند و طبق قاعده‌ای خاص بسته‌بندی می‌شود). فوتو ولتا‌ها درست مانند پیغامی ضمنی هستند (فوتو = نور ،‌ ولتا = الكتریسیته)؛ نور خورشید مستقیماً به برق تبدیل می‌شود. قبل‌ها تقریباً فقط در فضا به كار می‌رفت؛‌ فوتو ولتاها بیش‌تر و بیش‌تر به شیوه‌هایی كم‌تر عجیب مورد استفاده قرار گرفته‌اند. آن‌ها حتی می‌توانند خانه‌هایتان را روشن كنند. این قطعات چگونه كار می‌كنند؟

سلول‌های فوتو ولتایی (PV) از مواد مخصوصی به نام نیم‌رسانا ساخته می‌شوند مانند سیلیكون كه معمولاً بیش‌ترین كاربرد را دارد. اساساً وقتی نور به سلول برخورد كند، بخش معینی از آن جذب و ماده‌ی نیمه‌رسانا می‌شود. این یعنی انرژی نور جذب شده به نیمه رسانا منتقل می‌شود. این انرژی به الكترون‌های سُست ضربه می‌زند و به آن‌ها اجازه‌ی حركت مستقل را می‌دهد. سلو‌ل‌های PV همگی یك یا چند میدان الكتریكی دارند كه برای اعمال نیرو الكترون‌های آزاد به‌وسیله‌ی جذب نور برای جاری شدن در یك جهت معین در كنش هستند.

این نوع جاری شدن الكترون‌ها یك جریان است، و با فلز واقع در بالا و پایین سلول PV متصل است، می‌توانیم دریابیم كه جریان مورد استفاده، سطحی است. برای مثال این جریان یك ماشین حساب را می‌تواند به كار اندازد. همچنین همراه با ولتاژ سلول (كه حاصل   میدان‌های الكتریكی یا میدان وجود دارد) توانی برحسب وات كه سلول خورشیدی می‌تواند تولید كند را تعیین می‌كند.

این مرحله‌ی اصلی است، ولی در واقع مراحل بیش‌تری وجود دارند. بیایید نگاهی عمیق‌تر به نمونه‌ای از سلول PV داشته باشیم: یك سلول سیلیكونی تك بلوری.


  سیلیكون چگونه سلول خورشیدی را می‌سازد؟

سیلیكون خواص شیمیایی ویژ‌ه‌ای بخصوص در ساختار بلورینش دارد. یك اتم سیلیكون، 14 الكترون دارد كه در سه پوسته‌ی محتلف روی هم قرار گرفته‌‌اند. دولایه‌ی اول نزدیك‌تر به مركز كاملاً پر شده‌اند. ولی لایه‌ی بیرونی با داشتن 4 الكترون نیمه‌پر است. به طوری كه اتم سیلیكون همیشه در جستجوی راهی برای پر كردن لایه‌ی اخر است (تا 8 الكترون را كامل بگیرد). برای انجام این كار، این الكترون‌ها را با 4 تا از اتم‌های سیلیكون همسایه‌اش شریك خواهد كرد.

هر اتم تمایل دارد كه موقعیت خود را با اتم‌های همسایه‌اش حفظ كند، فقط در این مورد هر اتم از 4 سمت به 4 همسایه‌اش متصل است. این قالب ساختار بلوری است و ایجاد این ساختار برای این نوع سلول PV  اهمیت دارد.

سیلیكون بلوری خالص را تعریف كردیم. سیلیكون خالص رسانای ضعیف الكتریكی است، زیرا هیچ‌یك از الكترون‌های آن  مثل الكترون‌ها در رساناهای خوبی چون مس، به اطراف حركت نمی‌كنند. در عوض الكترون‌ها در ساختار بلوری كاملاً قفل شده‌ای قرار دارند. سیلیكون در یك سلول خورشیدی كمی تغییر می‌كند؛ چراكه همچون یك سلول خورشیدی عمل خواهد كرد.

سلول خورشیدی سیلیكون را به همراه ناخالصی‌هایی دارد (اتم‌های دیگری با اتم‌های سیلیكون آمیخته می‌شوند، با تغییر دادن روش‌هایی كه یك ذره‌ی عمل می‌كند). معمولاً تصور می‌كنیم كه ناخالصی‌‌ها چیزهای نامطلوبی‌اند. ولی در اینجا سلول بدون وجود ناخالصی به كار نمی‌افتد! این ناخالصی‌ها به منظور خاصی افزوده می‌شوند. سیلیكون را با یك اتم فسفر در دوطرف در نظر بگیرید؛ شاید برای هر یك میلیون اتم سیلیكون فسفر در لایه‌ی خارجی‌اش 5 الكترون دارد نه 4 تا. همیشه با اتم‌های سیلیكون مجاورش پیوند می‌خورد، ولی به یك مفهوم، فسفر الكترونی دارد كه از هیچ طرف به چیزی متصل نیست. بخشی از یك پیوند شكل نمی‌گیرد،‌ ولی یك پروتون مثبت در هسته‌ی فسفر آن‌ را در جایی نگه می‌دارد.

وقتی انرژی به سیلیكون خالص اضافه می‌شود (مثلاً به‌صورت گرما)، می تواند موجب شود كه پیوند تعدادی از الكترون‌ها شكسته شود و اتم‌هایشان را ترك كنند. یك حفره در هر نمونه از آزاد شده است. سپس این الكترون‌ها، به طور اتفاقی پیرامون شبكه‌ی بلوری پراكنده می‌شوند و حفره‌ی دیگری را جستجو می‌كنند كه درون آن سقوط كنند. این الكترون‌ها «حامل‌های آزاد» نامیده می‌شوند و می‌توانند جریان الكتریكی را جابه‌جا كنند. بنابراین تعداد كمی از آن‌ها در سیلیكون خالص وجود دارند (هر چند خیلی مفید نیستند). سیلیكون ناخالص كه با اتم‌های فسفر تركیب شده داستانی متفاوت دارد. انرژی بسیار كم‌تری برای ضربه‌ زدن به یكی از الكترون‌های سُست «اضافی» فسفر صرف می‌شود؛ زیرا آن‌ها در یك پیوند، مقید نشده‌اند (همسایگانشان مانع آن‌ها نشده‌اند). به همین خاطر بیش‌تر این الكترون‌ها آزاد می‌شوند و ما نسبت به سیلیكون خالص حامل‌های آزاد بسیار ببیش‌تری در سیلیكون خالص داریم. این فرایند اضافه كردن ناخالصی را «ناخالص سازی» می‌نامیم. سیلیكون به‌دست آمده به دلیل پخش الكترون‌ های آزاد «نوع N» نامیده می‌شود (Negative). سیلیكون آلاییده‌ی نوع N، رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیكون خالص است.

در واقع فقط بخشی از سلول خورشیدی از نوع N است. سایر قسمت‌ها با «بور» آلاییده می‌شوند كه به جای 4 الكترون فقط 3 الكترون در لایه‌ی بیرونی خود دارد، بدین ترتیب سیلیكون نوع p می‌شود. سیلیكون نوعp، (Positive)به جای داشتن الكترو‌ن‌های آزاد،  حفره‌ی آزاد دارد. حفره‌ها در واقع فقط فقدان الكترون‌ها هستند. پس آن‌ها بار قرینه(+) حمل می‌كنند. آن‌ها فقط در اطراف الكترو‌هایی با عملكرد مشابه حركت می كنند.

قسمت جالب وقتی آغاز می‌شود كه سیلیكون نوع N را با سیلیكون نوع P به كار ببرید. به یاد داشته باشید كه هر سلول PV در نهایت یك میدان الكتریكی دارد. بدون میدان الكتریكی سلول كار نخواهد كرد، و این میدان نیز هنگامی به‌وجود می‌آید كه سیلیكون نوع N و نوع P در تماس هستند. فوراً الكترون‌های آزاد سمت N كه همدیگر جستجوی حفره ‌ای برای سقوط در آن‌ها می‌باشند، حفره های آزاد سمت P را دیده و در یك یورش ناگهانی آن‌ها را پُر می‌كنند.

 

  تشریح یك سلول

پیش از این، سیلیكون از نظر الكتریكی كاملاً خنثی بود. الكترون‌های اضافی توسط پروتون‌های اضافی فسفر از تعادل خارج می‌شوند. الكترون‌های از دست رفته‌ (حفره‌ها) با پروتون‌های از دست رفته‌ی بور، تعادل را از بین می‌برند. وقتی حفره‌ها و الكترون‌ها در پیوندگاه بین سیلیكون نوع N , P تركیب می‌شوند،‌ به هر حال خنثایی از دست می‌رود. آیا الكترون‌های آزاد همه‌ی حفره‌های آزاد را پُر می‌كنند؟ نه! اگر آن‌ها چنین كنند، پس این نظم كامل مفید نخواهد بود. ولی درست در پیوندگاه، آن‌ها آمیخته شده و حصاری را به‌وجود می‌آورند. با سخت‌تر و سخت‌تر كردن آن برای الكترون‌های نوع N  كه به سمت P عبور می‌كنند. در نهایت موازنه‌ برقرار می‌شود و ما یك میدان الكتریكی جداگانه‌ی دوجانبه داریم.


این میدان الكتریكی با هل دادن الكترون ها برای جاری شدن از نوع p به نوع N و نه به طریق دیگری همانند دیود عمل می‌كند. این حالت شبیه یك توده است (الكترون‌ها به سادگی می‌توانند به توده سرازیر شوند، ولی نمی‌توانند از آن بالا روند).

بنابراین ما یك میدان الكتریكی فعال به‌دست آورده ایم؛ مانند یك دیود كه در آن الكترون‌ها فقط می‌توانند در یك جهت حركت كنند.

هنگامی كه نور در قالب فوتون‌ها، به سلول خورشیدی برخورد كنند، انرژی آن‌ها زوج الكترون-حفره‌ آزاد می‌كند. هر فوتون با انرژی كافی معمولاً یك الكترون را به طور كامل آزاد خواهد كرد و یك حفره‌ی آزاد را نیز نتیجه می‌دهد.

اگر این رویداد به قدر كافی به میدان الكتریكی نزدیك باشد، یا اگر الكترون آزاد و حفره‌ی آزاد رویداد انحراف به درون گستره‌ی تأثیرش رخ دهد، این میدان الكترون را به سمت N  و به سمت P حفره گسیل خواهد كرد. این بیشتر در نتیجه‌ی اتمام خنثایی الكتریكی است و اگر ما یك مسیر جریان سطحی را به‌وجود آوریم، الكترون‌ها در سراسر مسیر در جهت اصلی‌‌شان (سمت P) برای پیوستن به حفره‌هایی كه انجام كار میدان الكتریكی به آن‌جا گسیل شده، جریان می‌یابند. حركت الكترون جریان را تولید می‌كند، و میدان سلول ولتاژ را به‌وجود می‌آورد. با داشتن جریان و ولتاژ توان را داریم كه حاصل‌ضرب این دو خواهد بود.



مراحل بیش‌تری هستند كه پیش از آن‌كه ما واقعاً بتوانیم از سلول استفاده كنیم رها می‌شوند. سیلیكون پیش می‌آید كه ماده‌ی بسیار صیقلی باشد، كه به معنی اینست كه بسیار بازتابننده است. فوتون‌هایی كه بازتابنده‌اند نمی‌توانند توسط سلول به كار ‌روند. به همین علت، یك اندود ضد انعكاس در بالای سلول به كار رفته كه اتلاف بازتاب را تا كم‌تر از 5 درصد كاهش می‌دهد.

مرحله‌ی آخر صفحه‌ی روكش شیشه‌ای كه سلول را از عناصر حفظ می‌كند. اتاقك‌های PV با اتصال چندین سلول (معمولاً 36 عدد) به ‌صورت سری و موازی برای دست‌یابی به ترازهای مفید ولتاژ و جریان ساخته می‌شوند و با به كار بردن آن‌ها در یك قالب تنومند با یك پوشش شیشه‌ای و پایانه‌های مثبت و منفی پشت آن كامل می‌شود.



سلول PV چه‌مقدار از انرژی تابشی خورشید را جذب می‌كند؟ متأسفانه بیش‌ترین چیزی كه سلول ساده‌ی ما می‌تواند جذب كند حدود 25 درصد است و البته 15 درصد و كم‌تر محتمل‌تر است. چرا این‌قدر كم؟

 

شكل 4- ساختار یك مولد سلول سیلیكونیPV

شكل 3- (A) سیلیكون نوع N و (B) سیلیكون نوعP
عملكرد سلول فوتوولتایی

شكل2- (A) سیلیكون نوع N و (B) سیلیكون نوعP
اثر میدان الكتریكی روی سلول فوتو ولتایی

شكل 1- در این تصویر صفحه‌های خورشیدی را می‌بینید
كه جذب انرژی خورشیدی برای تولید هیدروژن به كار می‌رود.

منبع: سایت رشد




دسته بندی : علوم ریاضی؛نور , علوم ریاضی؛برق ,
 

آخرین مطالب

» دانلود آهنگ "سلام عشق من،سلام دلخوشی"/امید معنوی/امام رضا (ع)/صوتی 3.8 مگابایت ( یکشنبه 24 مرداد 1395 )
» تخمین مسافت ( پنجشنبه 13 اسفند 1394 )
» تخمین مسافت طولی ( پنجشنبه 13 اسفند 1394 )
» سنگر شناسی ( چهارشنبه 12 اسفند 1394 )
» جزوه رزم انفرادی ( چهارشنبه 12 اسفند 1394 )
» آموزش نصب و بوت دوگانه سیستم‌عامل اوبونتو در کنار اندروید ( چهارشنبه 30 دی 1394 )
» دانلود و آموزش برنامه Bluestacks ( دوشنبه 7 دی 1394 )
» نصب سیستم عامل آندروید بر روی کامپیوتر ( دوشنبه 7 دی 1394 )
» دستورات ترمینال لینوکس بصورت کامل ( شنبه 5 دی 1394 )
» مرجع دستورات ترمینال لینوکس ( شنبه 5 دی 1394 )
» برترین توزیع های لینوکس در کاربری های مختلف 2014 ( شنبه 5 دی 1394 )
» کدام توزیع لینوکس را نصب کنم؟ ( شنبه 5 دی 1394 )
» دانلود کتاب عصر ظهور ( جمعه 27 آذر 1394 )
» دیدگاه آیت الله وحید در باره ولایت فقیه ( دوشنبه 23 آذر 1394 )
» تصویر و وصیتنامه شهید علی ناظری ( دوشنبه 23 آذر 1394 )
» جوانان و محبت اهل بیت (ع) ( جمعه 20 آذر 1394 )
» شعارهای حسینی 2 ( دوشنبه 3 فروردین 1394 )
» شعارهای حسینی 1 ( دوشنبه 3 فروردین 1394 )
» آیا خدا وجود دارد؟ ( سه شنبه 15 مرداد 1392 )
» دانستنی هایی از قران و نماز ( سه شنبه 15 مرداد 1392 )
» انگشت نگاری در قرآن ( شنبه 12 مرداد 1392 )
» تعدادی از معجرات علمی قرآن کریم ( جمعه 11 مرداد 1392 )
» 12 اشاره ی علمی قرآن ( جمعه 11 مرداد 1392 )
» قرآن و عسل ( جمعه 11 مرداد 1392 )
» ساختار موتور های پله ای چیست ؟ ( سه شنبه 10 اردیبهشت 1392 )
» سیم پیچ تسلا چیست؟ (Tesla Coil) ( سه شنبه 10 اردیبهشت 1392 )
» در سینه ات نهنگی می تپد! ( سه شنبه 22 اسفند 1391 )
» شعر "کوچه" از "فریدون مشیری" ( سه شنبه 22 اسفند 1391 )
» خرم خاتون و سلطان سلیمان عثمانی-جنگ عثمانی با صفویان ( چهارشنبه 16 اسفند 1391 )
» سلطان صلاح الدین ایوبی ( چهارشنبه 16 اسفند 1391 )