در منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم بندی‌ها در زمینه سلول‌های خورشیدی انجام می‌شود. در اینجا نوعی از این تقسیم‌بندی را که تا حدی براساس ترتیب زمانی پیدایش آنها نیز می‌باشد ارائه شده است.
سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کریستالی
رایج‌ترین ماده توده برای سلول‌های خورشیدی، سیلیکون کریستالی (c-Si) است. ماده توده سیلیکون با توجه به نوع کریستال و اندازه کریستال به چندین بخش تقسیم می‌شود.
• سیلیکون تک کریستالی (c-Si)
• سیلیکون پلی کریستالی (poly-Si) یا چند کریستالی (mc-Si)
سلول‌های سیلیکونی تک کریستال یا مونو کریستال: در فرآیندی که به فرآیند ژورچالسکی معروف است، مواد اولیه پلی کریستال در دمای 1420 درجه سانتیگراد ذوب شده و هسته کریستال با یک جهت مشخص به داخل سیلیکون مذاب برده شده و به آرامی به خارج از مذاب کشیده می‌شود که در طول این فرایند، کریستال به میزان یک مونو کریستال استوانه‌ای تا قطر 30 سانتیمتر و چندین متر در طول رشد خواهد کرد. سپس به صورت لایه لایه یا ویفر بریده می‌شود و بعد از آن پوشش ضد انعکاس و سپس خطوط عبور جریان روی آن چاپ شده و نهایتا برای جلوگیری از اتصال کوتاه، عملیات کلیشه سازی انجام شده تا لبه‌های لایه‌های p , n به صورت مجزا مشخص گردند.
بازده سلول‌های خورشیدی مونو کریستال بین 15 تا 20 درصد بوده و بر اساس میزان بریده شدن آن دارای اشکال مختلفی مانند گرد، نیمه گرد و یا مربع می‌باشند. سلول‌های گرد به علت میزان سیلیکون استفاده شده در آنها ارزانتر از انواع دیگر بوده ولی به علت ایجاد فضای غیر قابل استفاده در ماژول‌ها، کمتر از آن استفاده می‌شود. سلول‌های خورشیدی مونو کریستال معمولا در ابعاد 4 اینچ (10 * 10سانتیمتر مربع) ، 5 اینچ (5/12 * 5/12 سانتیمتر مربع) و 6 اینچ (15 * 15 سانتیمتر مربع) تولید می‌گردند. شکل ظاهر آنها به صورت یکپارچه و به رنگ آبی تیره، طوسی و یا مشکی می‌باشند. ضخامت این سلول بین 2/0تا 3/0 میلیمتر است.
سلول‌های سیلیکونی پلی کریستال: ابتدا سیلیکون در بوته آزمایش کوارتز ذوب گردیده و در قالب‌هایی به شکل مکعب قالب گیری و در حین کنترل حرارت، قالب را به صورت تک جهتی سرد می‌کنند که هدف از این جامد سازی یکطرفه، شکل دادن تعداد زیادی کریستال‌های سیلیکونی تا حد امکان همگن و در سایزهای چند میلیمتر تا چند سانتیمتر می‌باشد. چون دانه‌های کریستالی ایجاد شده در جهات مختلف شکل گرفته‌اند، باعث پایین‌تر بودن بازده این سلول نسبت به سلول مونو کریستال می‌گردد. سایر مراحل تولید مانند سلول‌های مونو کریستال خواهد بود.
بازده سلول‌های خورشیدی پلی کریستال بین 13 تا 16 درصد بوده و تمامی آنها مربع شکل می‌باشند. سلول‌های پلی کریستال در ابعاد 4 اینچ (10 * 10سانتیمتر مربع)، 5 اینچ(5/12 * 5/12 سانتیمتر مربع) و 6 اینچ (15 * 15 سانتیمتر مربع) و همچنین 6/15 *6/15 سانتیمتر مربع و 21 * 21 سانتیمتر مربع تولید می‌گردند.
سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون لایه نازک غیر کریستالی (آمورف)
هزینه پایین یکی از مزایای سلول‌های خورشیدی برپایه سیلیکون آمورف (a-Si) می‌باشد. دو جزء اصلی آلیاژ a-Si ، سیلیکون و هیدروژن است. علاوه براین، مشخصه یک آلیاژ a-Si داشتن ضریب جذب بالاست. تنها یک لایه نازک برای جذب نور نیاز است و این باعث کاهش هزینه مواد می‌شود.
سلول‌های تین فیلم یا فیلم نازک از اوایل سال 1990 ساخته شده و به تولید انبوه رسیده است. در این تکنولوژی از برخی نیمه هادی‌های حساس به نور اسفاده می‌گردد که به علت ضخامت کم لایه‌های آن دارای قیمت مناسبی بوده و توجیه اقتصادی خواهد داشت. در این سلول‌ها موادی مانند سیلیکون آمورف، دی سلنید ایندیوم مس و کادمیوم تلوراید مورد استفاده قرار گرفته که به علت جذب بالای نور در این مواد، لایه‌های کمتر از 001/0 میلیمتر نیز میتواند به راحتی تبدیل نور به الکتریسیته را انجام دهد. در مقایسه با سلول‌های خورشیدی کریستالی که حرارت مورد نیاز آنها حدود 1500 درجه سانتیگراد می‌باشد، سلول‌های فیلم نازک به درجه حرارت 200 تا 600 درجه سانتیگراد نیاز دارند. همچنین برای تولید آنها هیچ محدودیتی برای سایز و ابعاد وجود ندارد.
مشخصات ماژول‌های تین فیلم سیلیکون آمورف عبارت است از: بازدهی بین 5 تا 7 درصد و دارای ابعاد استاندارد حداکثر 79/0 * 94/2 متر و ماژول‌های خاص حداکثر 2 متر در 3 متر با ضخامت 1 تا 3 میلیمتر مواد اولیه و 001/0 میلیمتر پوشش آنها و دارای ظاهری یکپارچه و به رنگ قهوه‌ای کبود مایل به آبی یا آبی بنفش.
مشخصات ماژول‌های فیلم نازک دی سلنید مس نیز عبارت است از: بازدهی بین 9 تا 11 درصد و دارای ابعاد استاندارد حداکثر 2/1 متر * 6/0 متر و با ضخامت 2 تا 4 میلیمتر ماده اولیه و 3 تا 4 میکرون پوشش و ظاهری یکپارچه به رنگ طوسی تیره مایل به مشکی.
ماژول‌های فیلم نازک کادمیوم تلوراید نیز دارای مشخصه‌های زیر می‌باشد. بازدهی حدود 5/8 درصد با ضخامت 3 میلیمتر ماده اولیه و 005/0 میلیمتر پوشش و به ابعاد استاندارد 2/1 متر در 6/0 متر با ظاهری یکپارچه و رنگ سبز تیره متمایل به مشکی.
سلول‌های خورشیدی لایه نازک GaAs
اولین لازمه موادی که باید در یک قطعه مبدل انرژی فتوولتائیک خورشیدی به کار برود، تطبیق گاف انرژی با طیف خورشیدی و نیز داشتن قابلیت تحرک بالا و طول عمر حامل‌های زیاد می‌باشند. این شرایط توسط بسیاری از ترکیبات II-VI ، III-V و Si برآورده می‌شوند. مواد گروه III – Vعلی رغم هزینه‌های بالای استحصال و ساخت این نیمه هادی‌ها، با موفقیت زیاد در کاربردهای فضایی که در آنها هزینه، فاکتور مهمی نیست مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در سال 1961، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که برای سلولی با گاف انرژی ماده برابر 1.39eV بدست می‌آید. با توجه به اینکه انرژی شکاف گالیم آرسناید برابر 1.424eV است میتواند ماده مناسبی برای طراحی سلول‌های خورشیدی باشد. سلول‌های خورشیدی ساخته شده بر پایه لایه نازک GaAs به عنوان نسل دوم سلول‌های خورشیدی نامگذاری می‌شوند.
سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
سلول‌های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان دیگر خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت‌هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. انواعی از سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ، سلول‌های خورشیدی پلیمری و سلول‌های خورشیدی مبتنی بر کریستال‌های مایع هستند.
• سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC )
ساختار پایه یک DSSC وارد کردن بهینه یک نیمه هادی نوع n شفاف (با شکاف انرژی پهن) در یک شبکه‌ای از ستون‌ها در ابعاد نانو در تماس با نانوذره‌ها یا برآمدگی‌های مرجانی شکل است.
Fonash, Solar Cell Device Physics (Second Edition) Elsevier, 2010.
سطح شبکه بزرگ طراحی می‌شود و هر قسمت آن با یک تک لایه‌ای از یک رنگ یا پوششی از نقاط کوانتومی، که به عنوان رنگ عمل می‌کنند، پوشانده می‌شود. سپس یک الکترولیت برای نفوذ ساختار شبکه پوشش داده شده حاصل، مورد استفاده قرار می‌گیرد تا یک کانال یا مجرایی بین رنگ و آند ایجاد کند. رنگ نور را جذب می‌کند و تولید اکسیتون می کند، که در سطح مشترک رنگ – نیمه هادی تفکیک می‌شود و منجر به ایجاد الکترون‌ها توسط فوتون برای نیمه هادی و مولکول‌های رنگ اکسید شده به وسیله الکترولیت (که باید کاهش یابند و دوباره تولید شوند) می‌شود.
• سلول‌های خورشیدی پلیمری
سلول‌های خورشیدی پلیمری دارای ویژگی های خاصی هستند. چون مواد اکتیو استفاده شده برای ساخت قطعات قابل حل شدن در حلال‌های آلی بسیاری هستند، بنابراین سلول‌های خورشیدی پلیمری دارای پتانسیل لازم برای انعطاف پذیری و قابلیت ساخت در یک فرایند چاپ پیوسته همانند چاپ روزنامه را دارند.
Nat. Photonics, vol. 2, p. 287–289, 2008
اخیرا بازده تبدیل توان حدود 6% گزارش شده است ولی این مقدار با مقادیر لازم برای کاربردهای معمول فاصله دارد.
• سلول‌های خورشیدی مبتنی بر کریستال‌های مایع
در نمونه‌ای از سلول‌های خورشیدی از این نوع از کریستال‌های مایع ستونی برای ساخت سلول استفاده می‌شود. گروهی از کریستال‌های مایع می‌توانند به حالت ستونی وجود داشته باشند. حالت ستونی حالتی است که مولکول‌های تشکیل‌دهنده کریستال‌های مایع که می‌توان آنها را به دیسکی تشبیه کرد روی هم قرار گرفته و ستون‌هایی را تشکیل می‌دهند. در ابتدا این گروه از کریستال‌های مایع، کریستال‌های مایع دیسکی نامیده می‌شدند. زیرا هر ستون از روی هم چیده شدن صفحات دیسک مانند مولکول‌ها روی هم درست می‌شود. تحقیقات اخیر نشان داده‌است که بعضی از کریستال‌های مایع ستونی از واحدهای غیر دیسکی ساخته می‌شوند در نتیجه بهتر است به این گروه از مواد کریستال‌های مایع ستونی گفته شود.
سلول‌های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی
یک فاکتور محدود کننده برای بازده تبدیل انرژی در سلول‌های خورشیدی با یک شکاف انرژی این است که انرژی فوتون جذب شده بالای شکاف انرژی نیمه هادی در اثر اندرکنش الکترون – فونون به صورت گرما تلف می‌شود تا حامل‌ها به لبه شکاف باند انرژی رسیده و به اصطلاح به آرامش برسند.
(IEEE Transactions on electron devices, vol. 49, pp. 1632-1639, 2002.)
در سال‌های اخیر روش‌هایی برای کاهش این تلفات با استفاده از ساختارهای کوانتومی از جمله چاه‌های کوانتومی و نقاط کوانتومی ارائه شده است.
(Phys. Rev. B, vol. 60, pp. R2181-R2184, 1999.)
در این ساختارها هنگامی که حامل‌ها در نیمه هادی به وسیله سدهای پتانسیل به نواحی خاصی که کوچکتر یا قابل مقایسه با طول موج دوبروی آنها یا شعاع بوهر اکسیتون‌ها در نیمه هادی توده است محدود می‌شوند، دینامیک آرامش کاملا متفاوت خواهد بود.
نویسنده: مهندس زینب کرمی
کتاب اصول طراحی تاسیسات الکتریکی برای برج ها و آسمانخراش ها
کتاب آشنایی با مبانی و اصول طراحی سیستم های برق خورشیدی( فتوولتاییک)
کتاب راهنمای جامع طراحی نیروگاه های فتوولتاییک با نرم افزار pvsyst
