سلول های خورشیدی سیلیکونی

سیلیکون خواص شیمیایی ویژ‌ه‌ای به ویژه در ساختار بلورینش دارد. یک اتم سیلیکون، 14 الکترون دارد که در سه پوسته‌ی محتلف روی هم قرار گرفته‌‌اند. دولایه‌ی اول نزدیک‌تر به مرکز کاملاً پر شده‌اند. ولی لایه‌ی بیرونی با داشتن 4 الکترون نیمه‌پر است. به طوری که اتم سیلیکون همیشه در جستجوی راهی برای پر کردن لایه‌ی آخر است (تا 8 الکترون را کامل بگیرد). برای انجام این کار، این الکترون‌ها را با 4 تا از اتم‌های سیلیکون همسایه‌اش شریک خواهد کرد.

هر اتم تمایل دارد که موقعیت خود را با اتم‌های همسایه‌اش حفظ کند، 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.

سیلیکون بلوری خالص را تعریف کردیم. سیلیکون خالص رسانای ضعیف الکتریکی است، زیرا هیچ‌یک از الکترون‌های آن  مثل الکترون‌ها در رساناهای خوبی چون مس، به اطراف حرکت نمی‌کنند. در عوض الکترون‌ها در ساختار بلوری کاملاً قفل شده‌ای قرار دارند. سیلیکون در یک سلول خورشیدی کمی تغییر می‌کند؛ چراکه همچون یک سلول خورشیدی عمل خواهد کرد.

سلول خورشیدی سیلیکونیناخالصی‌هایی را به همراه دارد (اتم‌های دیگری با اتم‌های سیلیکون آمیخته می‌شوند، با تغییر دادن روش‌هایی که یک ذره‌ی عمل می‌کند). معمولاً تصور می‌کنیم که ناخالصی‌‌ها چیزهای نامطلوبی‌اند. ولی در اینجا سلول بدون وجود ناخالصی به کار نمی‌افتد! این ناخالصی‌ها به منظور خاصی افزوده می‌شوند. سیلیکون را با یک اتم فسفر در دوطرف در نظر بگیرید؛ شاید برای هر یک میلیون اتم سیلیکون فسفر در لایه‌ی خارجی‌اش 5 الکترون دارد نه 4 تا. همیشه با اتم‌های سیلیکون مجاورش پیوند می‌خورد، ولی به یک مفهوم، فسفر الکترونی دارد که از هیچ طرف به چیزی متصل نیست. بخشی از یک پیوند شکل نمی‌گیرد،‌ ولی یک پروتون مثبت در هسته‌ی فسفر آن‌ را در جایی نگه می‌دارد.

وقتی انرژی به سیلیکون خالص اضافه می‌شود (مثلاً به‌صورت گرما)، می تواند موجب شود که پیوند تعدادی از الکترون‌ها شکسته شود و اتم‌هایشان را ترک کنند. یک حفره در هر نمونه از آزاد شده است. سپس این الکترون‌ها، به طور اتفاقی پیرامون شبکه‌ی بلوری پراکنده می‌شوند و حفره‌ی دیگری را جستجو می‌کنند که درون آن سقوط کنند. این الکترون‌ها «حامل‌های آزاد» نامیده می‌شوند و می‌توانند جریان الکتریکی را جابه‌جا کنند. بنابراین تعداد کمی از آن‌ها در سیلیکون خالص وجود دارند (هر چند خیلی مفید نیستند). سیلیکون ناخالص که با اتم‌های فسفر ترکیب شده داستانی متفاوت دارد. انرژی بسیار کم‌تری برای ضربه‌ زدن به یکی از الکترون‌های سُست «اضافی» فسفر صرف می‌شود؛ زیرا آن‌ها در یک پیوند، مقید نشده‌اند (همسایگانشان مانع آن‌ها نشده‌اند). به همین خاطر بیش‌تر این الکترون‌ها آزاد می‌شوند و ما نسبت به سیلیکون خالص حامل‌های آزاد بسیار ببیش‌تری در سیلیکون خالص داریم. این فرایند اضافه کردن ناخالصی را «ناخالص سازی» می‌نامیم. سیلیکون به‌دست آمده به دلیل پخش الکترون‌ های آزاد «نوع N» نامیده می‌شود (Negative). سیلیکون آلاییده‌ی نوع N، رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیکون خالص است.

در واقع فقط بخشی از سلول خورشیدی از نوع N است. سایر قسمت‌ها با «بور» آلاییده می‌شوند که به جای 4 الکترون فقط 3 الکترون در لایه‌ی بیرونی خود دارد، بدین ترتیب سیلیکون نوع p می‌شود. سیلیکون نوعp، (Positive)به جای داشتن الکترو‌ن‌های آزاد،  حفره‌ی آزاد دارد. حفره‌ها در واقع فقط فقدان الکترون‌ها هستند. پس آن‌ها بار قرینه(+) حمل می‌کنند. آن‌ها فقط در اطراف الکترو‌هایی با عملکرد مشابه حرکت می کنند.

قسمت جالب وقتی آغاز می‌شود که سیلیکون نوع N را با سیلیکون نوع P به کار ببرید. به یاد داشته باشید که هر سلول PV در نهایت یک میدان الکتریکی دارد. بدون میدان الکتریکی سلول کار نخواهد کرد، و این میدان نیز هنگامی به‌وجود می‌آید که سیلیکون نوع N و نوع P در تماس هستند. فوراً الکترون‌های آزاد سمت N که همدیگر جستجوی حفره ‌ای برای سقوط در آن‌ها می‌باشند، حفره های آزاد سمت P را دیده و در یک یورش ناگهانی آن‌ها را پُر می‌کنند.

پیش از این، سیلیکون از نظر الکتریکی کاملاً خنثی بود. الکترون‌های اضافی توسط پروتون‌های اضافی فسفر از تعادل خارج می‌شوند. الکترون‌های از دست رفته‌ (حفره‌ها) با پروتون‌های از دست رفته‌ی بور، تعادل را از بین می‌برند. وقتی حفره‌ها و الکترون‌ها در پیوندگاه بین سیلیکون نوع N , P ترکیب می‌شوند،‌ به هر حال خنثایی از دست می‌رود. آیا الکترون‌های آزاد همه‌ی حفره‌های آزاد را پُر می‌کنند؟ نه! اگر آن‌ها چنین کنند، پس این نظم کامل مفید نخواهد بود. ولی درست در پیوندگاه، آن‌ها آمیخته شده و حصاری را به‌وجود می‌آورند. با سخت‌تر و سخت‌تر کردن آن برای الکترون‌های نوع N  که به سمت P عبور می‌کنند. در نهایت موازنه‌ برقرار می‌شود و ما یک میدان الکتریکی جداگانه‌ی دوجانبه داریم.

این میدان الکتریکی با هل دادن الکترون ها برای جاری شدن از نوع p به نوع N و نه به طریق دیگری همانند دیود عمل می‌کند. این حالت شبیه یک توده است (الکترون‌ها به سادگی می‌توانند به توده سرازیر شوند، ولی نمی‌توانند از آن بالا روند).

بنابراین ما یک میدان الکتریکی فعال به‌دست آورده ایم؛ مانند یک دیود که در آن الکترون‌ها فقط می‌توانند در یک جهت حرکت کنند.

هنگامی که نور در قالب فوتون‌ها، به سلول خورشیدی برخورد کنند، انرژی آن‌ها زوج الکترون-حفره‌ آزاد می‌کند. هر فوتون با انرژی کافی معمولاً یک الکترون را به طور کامل آزاد خواهد کرد و یک حفره‌ی آزاد را نیز نتیجه می‌دهد.

اگر این رویداد به قدر کافی به میدان الکتریکی نزدیک باشد، یا اگر الکترون آزاد و حفره‌ی آزاد رویداد انحراف به درون گستره‌ی تأثیرش رخ دهد، این میدان الکترون را به سمت N  و به سمت P حفره گسیل خواهد کرد. این بیشتر در نتیجه‌ی اتمام خنثایی الکتریکی است و اگر ما یک مسیر جریان سطحی را به‌وجود آوریم، الکترون‌ها در سراسر مسیر در جهت اصلی‌‌شان (سمت P) برای پیوستن به حفره‌هایی که انجام کار میدان الکتریکی به آن‌جا گسیل شده، جریان می‌یابند. حرکت الکترون جریان را تولید می‌کند، و میدان سلول ولتاژ را به‌وجود می‌آورد. با داشتن جریان و ولتاژ توان را داریم که حاصل‌ضرب این دو خواهد بود.

مراحل بیش‌تری هستند که پیش از آن‌که ما واقعاً بتوانیم از سلول استفاده کنیم رها می‌شوند. سیلیکون پیش می‌آید که ماده‌ی بسیار صیقلی باشد، که به معنی اینست که بسیار بازتابننده است. فوتون‌هایی که بازتابنده‌اند نمی‌توانند توسط سلول به کار ‌روند. به همین علت، یک اندود ضد انعکاس در بالای سلول به کار رفته که اتلاف بازتاب را تا کم‌تر از 5 درصد کاهش می‌دهد.

مرحله‌ی آخر صفحه‌ی روکش شیشه‌ای که سلول را از عناصر حفظ می‌کند. اتاقک‌های 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 کار بردن آن‌ها در یک قالب تنومند با یک پوشش شیشه‌ای و پایانه‌های مثبت و منفی پشت آن کامل می‌شود.

ساختار یک سلول خورشیدی سیلیکونی

برگرفته از : roshd.ir