انرژی خورشیدی فتوولتاییک

پیشگفتار

طی سالیان اخیر تلا شهای جدی برای جایگزینیپن لهای خورشیدی فتوولتاییک با نانوآنت نهای نوری برای غلبه بر معایب سلو لهای خورشیدی فعلی صورت گرفته است. ایده جم عآوری انرژی خورشیدی با استفاده از نانوآنت نها بر این اساس است که هنگامی که موج الکترومغناطیسی خورشیدی به یک نانوآنتن برخورد میک‌ند، یک جریان متغیر با زمان روی سطح نانوآنتن ایجاد شده و در نتیجه ولتاژی در محل شکاف تغذیه آن تولید میشود، از این رو با جایگذاری یکسوسازی مناسب در محل تغذیه نانوآنتن توان DC مطلوب تولید میگردد. به این گونه سیستمهای جم عآوری انرژی خورشیدی که شامل آنت نها و یکسوسازهای با ابعاد نانومتری هستند، سلول خورشیدی رکتنی میگویند.

 مقدمه

در طی سال های اخیر، شاهد افزایش روز افزون وابستگی بشر به انرژی بوده ایم. در حال حاضر انرژی اصلی مصرفی انسا نها سوخت های فسیلی است، اما با توجه به تجدیدناپذیر بودن و مشکلات زیست محیطی ناشی از این سوخت ها، انسان همواره به دنبال سوختی پاک و تما منشدنی بوده است. یکی از این گزینه ها استفاده از انرژی خورشید است. انرژی خورشیدی که بزرگ ترین منبع انرژی می باشد، پس از عبور از جو به سطح زمین می رسد. چگالی توان تشعشعی تابش خورشیدی که وارد جو زمین می شود تقریباً برابر 1370 W/m2 ] 1[ است. این طیف تشعشعی خورشید دارای باند فرکانسی بسیار وسیعی م یباشد که به صورت زیر دسته بندی می شوند: تابش فرابنفش با طو لموج های کم تر از 400 نانومتر )فرکانس های بیشتر از 750 تراهرتز( که شامل 9 درصد طیف فرکانسی خورشیدی م یباشد، نور مرئی با طو لموج های بین 400 تا 700 نانومتر )فرکانس های بین 428 تا 750 تراهرتز( که شامل 39 درصد طیف و بالاخره تابش های فروسرخ با طو لموج های بین 700 نانومتر تا یک میل یمتر )فرکانس های بین 3/ 0 تا 428 تراهرتز( که شامل 52 درصد طیف فرکانسی تابش خورشیدی هستند ] 2[. هرچند همه تابش خورشیدی به سطح زمین نم یرسند، اما تابش هایی که به سطح زمین می رسند شامل مقدار زیادی انرژی هستند. این انرژی توسط هر شئ روی کر ه زمین جذب و به گرما تبدیل می شود. انرژی تجدیدپذیر و پاک خورشیدی عصر جدیدی را پیش روی انسا نها جهت تولید انرژ ی الکتریکی قرار داده است.

از زمان شناخت پدیده فتوولتاییک در اوایل دهه 1950 میادی، رشد و توسعه این فناوری با سرعت بسیار بالایی ادامه داشته است. در حال حاضر دو فناوری عمده بر اساس استفاده از سیلیکون و لایه های نازک در ساخت سلول های خورشیدی رواج دارند. سلول سیلیکون بلوری 1 که نخستین نسل از سلول های خورشیدی است به دو صورت تک بلوری و چند بلوری تولید م یشود. هر چند امروزه این فناوری بیشترین استفاده را در بازار سیستم های فتوولتاییک دارد، اما از معایب آن می توان به هزینه تولید بسیار زیاد آن اشاره کرد. هر چند در فناوری سلول خورشیدی لایه نازک هزینه تولید کاهش یافته است، اما به نسبت فناوری سیلیکونی از بازدهی کم تری برخوردار است، به طور یکه بهترین بازده آزمایشگاهی به دست آمده از این روش از 20 درصد فراتر نمی رود. با توجه به اینکه این نوع فناوری سلو لهای خورشیدی به علت راندمان پایین به خوبی پوشش دهنده نیا زهای تجاری نیست، صنعت فتوولتاییک در حوزه تجاری نیاز به فناور یهای با بهره بالاتر و قیمت ارزا نتر پیدا کرده است. راه حلی که در این حوزه جهت افزایش بهر ه وری در فناوری سلو لهای خورشیدی پیشنهاد شده است، استفاده از نانوآنت نها ینوری به همرا ه یکس وسازی 2 مناسب در محل تغذیه نانوآنتن م یباشد که تشکیل دهنده یک مجموعه به نام رکتن 3 است. راندمان سلو لهای خورشیدی معمولی در بهترین حالت حدود 30 درصد است، در حالی که با استفاده از این نانوآنت نها راندمان تئوری تا 100 درصد قابل دسترسی است] ایده تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته اولین بار در سال 1972 توسط دانشمندی به نام بیلی 4 مطرح گردید این ایده تا سال 2005 به دلیل عدم توانایی ساخت ساختا رهایی با ابعاد نانو، در مقیاس تجاری مورد توجه قرار نگرفت. اما در طی سالیان اخیر با توجه به پیشرفت فناوری نانو و امکان ساخت آنتن ها و یکسوکننده های نانومتری، سیستم رکتن خورشیدی به عنوان جایگزینی برای پن لهای فتوولتاییک فعلی جهت تولید الکتریسیته پیشنهاد شده است. در این مقاله به معرفی سلول خورشیدی رکتنی و نحوه عملکرد آن پرداخته شده است.

 ساختار و تئوری عملکرد

ساختار کلی یک سیستم سلول خورشیدی رکتنی در شکل 1 نشان داده شده است. این سیستم شامل یک آنتن با ابعاد نانومتر (مرتبه ای از طول موج ناحیه فرکانسی فروسرخ و مرئی)، یکسوساز دیودی، فیلتر پایین گذر و یک بار است که همگی به صورت موازی در مدار رکتنی قرار گرفته اند. هنگامی که موج الکترومغناطیسی خورشیدی به سطح نانو آنتن برخورد میکند یک جریان متغیر با زمان روی سطح نانوآنتن ایجاد شده و در نتیجه ولتاژی در محل شکاف تغذیه آن تولید می شود. از این رو با جایگذاری یکسوسازی مناسب در محل شکاف تغذیه نانوآنتن توان DC مطلوب تولید میگردد. میلیون ها عدد نانوآنتن به همراه یکسو ساز مناسب طبق شکل 2 در سیستم رکتن خورشیدی در کنار یکدیگر قرار م یگیرند و هر یک به صورت جداگانه به تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید میپردازند.

 نانوآنتن

آنتن وسیله ای است که م یتواند موج الکترومغناطیسی موجود در فضا را دریافت کند. جهت دریافت موج الکترومغناطیسیخورشیدی توسط آنتن باید ابعاد آنتن در مرتبه ای از اندازه طول موج ورودی به سطح آن باشد، لذا جهت دریافت تابش های خورشیدی که طول موج های ناحیه فروسرخ، مرئی و فرابنفش را شامل م یشوند به آنتنی با ابعاد نانومتر نیاز است. از آنجایی که استفاده از نانوآنتنهای نوری برای جمع آوری انرژی خورشیدی ارائه دهنده یک را ه حل عملی با راندمان بالا نسبت به سایر فناوری های فتوولتاییک رایج مثل پنل های خورشیدی است، منجر به توسعه سریع در صنعت نانو و مواد نوری شده است. نانوآنتن ها کاربرد های زیادی در ناحیه فرکانسی نور مرئی و فروسرخ دارند، به همین دلیل توانایی افزایش بر هم کنش بین امواج نوری با مواد با مقیاس نانو را فراهم م یسازند . آنتنهای نوری یا همان نانوآنتن ها، ایده ای نو در فیزیک نوری هستند و عملکردشان مشابه آنتن های رادیویی و مایکروویوی است. هدف در آنتن های نوری تبدیل انرژی تشعشع فضای آزاد به یک انرژی محلی شده و برعکس است ]. در شکل ) 3( انواع مختلفی از نانوآنتن ها نشان داده شده است.

یکسوساز های نانومتری

هما نطور که در ابتدای این مقاله هم ذکر شد، جهت تبدیل سیگنا لهای متغیر با زمان ناشی از نانوآنتن به توان DC باید یکسوسازی مناسب به نانوآنتن متصل گردد. در حال حاضر، یکسوسازی که بتواند در فرکانسهای خیلی بالا )بیش از 30 تراهرتز( کار کند وجود ندارد. دیود شاتکی که یک دیود نیم ههادی با افت ولتاژ پایین و سرعت پاس خدهی نسبتاً سریع م یباشد توانایی یکسوسازی و آشکارسازی سیگنا لهای با فرکانس تا 5 تراهرتز را دارد ] 7[. متداو لترین یکسوساز مورد استفاده در سلول خورشیدی رکتنی دیود 5 MIM است. این دیود شامل یک لایه عایقی نازک به ضخامت چند نانومتر است که بین دو صفحه الکترود فلزی قرار گرفته است. یکسوسازی سیگنا لهای ورودی بر اساس فرآیند تون لزنی الکترون در طول لایه عایقی اتفاق م یافتد. دیود MIM به دلیل زمان تون لزنی فمتوثانی های یک الکترون در طول یک سد و افزایش چشمگیر سرعت پاسخدهی، م یتواند به عنوان جایگزینی برای دیود شاتکی در ناحیه فرکانسی فروسرخ و مرئی به کار رود ] 7[. دیودهای MIM عملکرد قابل قبولی را در تبدیل سیگنا لهای تراهرتزی به خروجی DC از خود نشان داد هاند ] 7[. جهت تضمین فرآیند یکسوسازی شرایط خاصی باید رعایت گردد: 1 ضخامت لایه عایقی دیود MIM جهت اطمینان از وقوع اثر تون لزنی و عبور جریان الکتریکی باید خیلی کم و فقط در حد چند نانومتر باشد. 2 مساحت لایه عایقی جهت افزایش فرکانس قطع دیود و در نتیجه یکسوسازی فرکان سهای تراهرتزی باید خیلی کوچک انتخاب گردد ] 8[. فرکانس قطع یک دیود MIM طبق رابطه ) 1( به مقاومت دیود ) RD ( و خازن دیود ) CD ( بستگی دارد ] 9[. fc=1/(2πRDCD) )1( از آنجایی که مقدار مقاومت دیود به فرآیند ساخت آن وابسته است، تنها پارامتر تعیی نکننده در فرکانس قطع دیود MIM مقدار خازن دیود م یباشد که به صورت رابطه زیر بیان م یشود ] 7[: CD=(εrε0A)/d )2( εr بیانگر گذردهی نسبی لایه عایقی به کار رفته در دیود MIM و ε0 گذردهی فضای آزاد م یباشد )گذردهی یکی از مهمترین ویژگ یهای عای قها و بیانگر توانایی آنها در ذخیر هسازی انرژی الکتریکی است(، A و d هم به ترتیب برابر مساحت و ضخامت لایه عایقی هستند. هما نطور که از رابطه ) 1( مشخص است جهت رسیدن به یک فرکانس قطع بالا و در نتیجه یکسوسازی فرکان سهای تراهرتزی ناحیه فروسرخ و مرئی به یک مقدار خازن دیودی بسیار کوچک نیاز است، لذا طبق رابطه ) 2( باید جهت رسیدن به این هدف مساحت لایه عایقی ) A( کاهش و یا اندازه ضخامت ) d( آن افزایش یابد. اما افزایش ضخامت لایه عایقی احتمال تون لزنی دیود MIM و در نتیجه سرعت پاس خدهی آن را کاهش م یدهد، از طرف دیگر کاهش مساحت ناحیه عایقی هرچند فرکانس قطع دیود و عملکرد آن در یکسوسازی فرکان سهای تراهرتزی را بهبود می بخشد، اما به دلیل ساختار چند نانومتری آن موجب پیچیدگی ساخت م یشود ] 7[. شکل) 4( یک دیود MIM متصل به یک نانوآنتن را نشان م یدهد. امروزه جهت ساخت دیودهای MIM از روش چاپ انتقال نان و 6 و یا روش لیتوگرافی باریکه الکترونی استفاده م یشود که امکان ساخت دیودهایی که بتوانند سیگنا لهای با فرکانس تا 30 تراهرتز را تبدیل به توان DC کنند فراهم کرده است ] 2[. 3

مزایا و برتری سلول خورشیدی رکتنی به نسبت فناور یهای امروزی

مهمترین مزیت و برتری فناوری سیستم رکتن خورشیدی به نسبت فناور یهای امروزی بازده بالاتر آن م یباشد. هما نطور که اشاره شد بازده یک سلول خورشیدی رکتنی به صورت تئوری تا 100 درصد قابل دسترسی است، در حالی که این مقدار برای فناور یهای امروزی از 30 درصد فراتر نم یرود. از آنجایی که نانوآنت نها توانایی جذب زاوی های وسیعی دارند به سیستم ردیاب خورشیدی جهت تعقیب کردن مسیر خورشیدی نیازی ندارند، به همین دلیل حتی در صورت تابش مایل خورشیدی به سطح صفحه خورشیدی میزان بازده آنها تا حد قابل توجهی حفظ م یشود ] 11 [. این سیستم ه مچنین م یتواند انرژی تابیده شده از طرف زمین یا همان تشعشعات زمینی که ناشی از تاب شهای روزانه خورشید به سطح زمین شکل 3. انواع مختلفی از نانوآنت نها، شامل a( مارپیچی دایر های ، b( دوقطبی ، c( مارپیچی مربعی، d( آرای های ] 6[. شکل 4. دیود MIM متصل به نانوآنتن ] 10 [. 22 سال سیزدهم بهمن ماه 93 شماره 11 پیاپی 208 مقالات هستند و در طو لمو جهای 10 میکرومتر )در فرکان سهای 30 تراهرتز( رخ م یدهند را جذب کند، به همین دلیل نانوآنت نهای سیستم رکتن خورشیدی با جم عآوری این تشعشعات در طی شب و یا در شرایط آ ب وهوایی بد هم م یتوانند به تولید انرژی الکتریکی بپردازند ] 12 [. سلول خورشیدی رکتنی پتانسیل لازم برای کم هزین هتر بودن نسبت به سلو لهای خورشیدی معمولی فعلی را دارد. لای ههای فلزی و عایقی به کار رفته در این سیستم به فرم فیل مهای بسیار نازکی هستند که هزینه بالایی ندارند، ه مچنی ن زیرلای ههای به کار رفته اغلب از جنس شیشه یا پلاستیک هستند که امکان ساخت آنها با هزینه پایین وجود دارد. در حال حاضر ساختارهای دیودی و آنتنی به کار رفته در رکتن خورشیدی با استفاده از روش طر حنگار الکترونی ساخته م یشوند. هرچند این روش ساخت برای تولید در مقیا سهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی پ رهزینه و وق تگیر است، اما اگر این ساختارها در حجم وسیع و با روش مناسب تولید گردند، موجب کاهش هزینه و سرعت در فرآیند ساخت م یشوند. 4

نتیجه گیری

در این مقاله اصول و تئوری عملکرد سیستم رکتن خورشیدی جهت تولید الکتریسیته از نور خورشید معرفی شد. هر چند این فناوری ه مچنان در مرحله تحقیقاتی و مطالعاتی قرار دارد و تا تجار یسازی شدن آن راه زیادی باقی است، اما با توجه به رفع معایب سلو لهای خورشیدی فعلی از جمله راندمان پایین آنها توسط این فناوری، باید در آیند های نه چندان دور شاهد جایگزینی سلو لهای خورشیدی رایج امروزی با سلول خورشیدی رکتنی باشیم.