با سلول خورشیدی نسل اول بیشتر اشنا شویم

سیستم فتوولتائیک به عنوان یک تکنولوژی، در مسیر تکامل خود سه نسل پنل خورشیدی را به خود دیده است. سلول خورشیدی نسل اول، دوم و سوم که بسته به کارایی، دوام، امکان سنجی فنی/اقتصادی، زمان بازپرداخت …. دسته بندی می شوند.

برخی از سلول های خورشیدی کارآمدتر از بقیه بوده اما مقرون به صرفه نیستند و به همین دلیل برای تامین انرژی ماهواره های فضایی ایده آل هستند.

از صدها نوع سلول فتوولتائیک، فقط چند نوع آن، تجاری هستند، و موارد دیگر هنوز از نظر فنی/اقتصادی قابل توجیه نیستند.

نمودار دایره ای بالا سهم بازار فعلی از فن آوری های فتوولتائیک موجود در بازار امروز را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، سلول های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون تقریباً 93٪ از بازار را تشکیل می دهند، در حالی که انواع دیگر سلول های فتوولتائیک، فقط 7٪  از بازار را شامل می شوند.

سلول خورشیدی نسل اول

نسل اول سلول های فتوولتائیک از نظر فناوری و فرآیند ساخت به تکامل خوبی رسیده اند. این نسل قدیمی ترین فناوری های فتوولتائیک تجاری موجود را نشان می دهند و به طور معمول، از سیلیکون کریستالی c-Si یا ویفرهایGaAs ساخته می شوند.

GaAs یک ماده نیمه هادی مستقیم با باند گپ 1.43 eV در 300 K است و خواص نوری قابل توجهی در مقایسه با سیلیکون از خود نشان می دهد. از سوی دیگر، سیلیکون ماده باند غیرمستقیم است که باند گپ آن حدود 1.12 eV در 300 K است . بنابراین، سلول های خورشیدی سیلیکونی به ویفرهای سیلیکونی نسبتاً ضخیم تری نیاز دارند تا بتوانند نور خورشید ورودی را به اندازه کافی جذب کنند.

مزایایGaAs نسبت به c-Si در سلول خورشیدی نسل اول

• سلول های خورشیدیGaAs با داشتن شکاف باند وسیع و خواص نوری برجسته، عملکرد بسیار موثری از همتای سیلیکونی کریستالی خود دارند.
• سلول های خورشیدیGaAs به مقدار بسیار کمتری از مواد نیمه هادی نسبت به سلول های خورشیدی سیلیکونی نیاز دارند. این توانایی راه را برای ساخت سلول های خورشیدی سبک وزن و کارآمد هموار می کند.
• عملکرد هر فناوری فتوولتائیک با افزایش دما کاهش می یابد. اما سلول های خورشیدیGaAs حتی در دماهای بالاتر نیز عملکرد خوبی دارند زیرا ضریب دمایی آنها (معیار کاهش عملکرد با افزایش دما نسبت به 25 درجه سانتیگراد) به طور چشمگیری پایین است. این ویژگی متمایز، آنها را به گزینه ای ایده آل برای کشورهای گرم تبدیل می کند تا اتلاف انرژیPV ها را به حداقل برسانند.
• برخلاف سایر فناوری‌های فتوولتائیک، سلول‌های خورشیدیGaAs می‌توانند شرایط محیطی سختی مانند اشعه UV و رطوبت را تحمل کنند.
• الکترون ها در ساختار GaAs بسیار سریعتر از سیلیکون عبور می کنند و تحرک الکترون در GaAs بسیار بیشتر از Si است.
• سلول های خورشیدیGaAs نسبت به سلول های خورشیدیc-Si دارای چگالی جریان اتصال کوتاه کمتر، ولتاژ مدار باز بیشتر و راندمان تبدیل بالاتری هستند.

سلول های خورشیدیc-SiیاGaAs، کدام بهتر است؟

درست است که سلول‌های خورشیدیGaAs مزایای بی‌نظیری را با بالاترین راندمان تبدیل در بین مواد فتوولتائیک ارائه می‌کنند  اما هنوز برای اهداف تجاری تولید برق خورشیدی انتخاب نشده اند.

چه عواملی مانع کاربردهای تجاری سلول های خورشیدیGaAs می شود؟

اولاً، فرآیند تولید سلول خورشیدیGaAs بسیار گران است. ثانیاً GaAsیک ماده گران قیمت نسبت به سیلیکون بوده زیرا گالیم و آرسنیک مواد بسیار کمیاب در پوسته زمین هستند. نکته کلیدی دیگر این است که تولید انبوه سلول های خورشیدیGaAs به گالیوم/آرسنیک بیشتری نیاز دارد.

توجه داشته باشید که فراوانی طبیعیSi، Ga و As به ترتیب 29.5٪، 0.0019٪و 0.00017٪است! حفظ عرضه مداوم درمقیاس بزرگ چالش بزرگی است زیرا هم گالیم و هم آرسنیک مواد کمیاب/گران قیمت هستند. نمودار زیر به وضوح توضیح می دهد که آرسنیک و گالیم چقدر مواد کمیاب هستند.

شما در نمودار بالا، نمی توانید گالیم و آرسنیک مشاهده کنید. فقط سیلینیوم به مقدار قابل ملاحظه موجود است.

بدیهی است که سیلیکون یکی از فراوان ترین عناصر است و بنابراین بهترین ماده برای اجرا در مقیاس بزرگ است. علاوه بر این، آرسنیک به عنوان یک سرطان‌زا شناسایی شده است.

آرسنیک غیر آلی (GaAs تا حدی در داخل بدن به آرسنیک معدنی تجزیه می شود) می تواند باعث ایجاد سرطان ریه، پوست و مثانه گردد. علاوه بر این، مشاهده شده است که آرسنیک با اختلالات قلبی، بیماری های عصبی و حتی دیابت مرتبط است. برخی مطالعات نیز ارتباط آن را با برخی بیماری های مزمن مانند نارسایی حاد کلیه نشان می دهد.

سلول های خورشیدیc-Si کارایی کمتری نسبت به سلول های خورشیدیGaAs دارند. اما مزایای دیگر سلول های خورشیدیc-Si بسیار بیشتر است.

نتیجه

Si یکی از فراوان ترین عناصر در پوسته زمین است در حالی که Ga و As عناصر کمیاب هستند. بدون شک! صنعت سلول های خورشیدیc-Si در آینده مشکلی با مواد خام نخواهد داشت. با این حال، یافتن مواد خام برای سلول های خورشیدیGaAsیک مشکل بزرگ در خطوط تولید انبوه خواهد بود.

سلول های خورشیدیc-Si مقدار بسیار کمتری از مواد سمی را در طول چرخه زندگی خود آزاد می کنند.

آخرین واقعیت مهمترین چیز است. سلول های خورشیدیc-Si کارایی کمتری نسبت به سلول های خورشیدیGaAs دارند اما بسیار ارزان تر و مقرون به صرفه هستند. به همین دلیل است که ما هرگز پنل های خورشیدیGaAs را حداقل روی یک پشت بام ندیده ایم در حالی که هزاران پشت بام از پنل های خورشیدیc-Si برای تولید برق پاک استفاده می کنند.

فناوری سلول خورشیدیc-Siیک روش اثبات شده و مقرون به صرفه برای تولید برق است. سلول های خورشیدیGaAs از آنجایی که فناوری بسیار گران قیمتی هستند، نمی توانند با فناوری سلول های خورشیدیc-Si فعلی رقابت کنند.

منبع:

jlankatech.com