چرا از سلول های خورشیدی استفاده می کنیم؟

  مقدمه

همه ی شما تا کنون عبارت صفحه های خورشیدی "Solar Panel" یا سلول خورشیدی "Solar Cell" را شنیده اید. این دو، وسایلی برای استفاده از انرژی خورشیدی هستند. برخی وسایلی که شما از آن ها استفاده می کنید، مانند ماشین حساب ها، چراغ های راهنمایی یا چراغ های روشن در اتوبان ها مثال هایی هستند که انرژی خود را از سلول خورشیدی تأمین می کنند. حتی امروزه، ایده هایی مبنی بر استفاده از این فناوری در سطح عمومی، مانند پشت بام خانه ها و تولید خانگی برق مورد توجه دولت ها و مردم قرار گرفته است. نمونه ای از این سلول ها را در شکل 1 مشاهده می کنید. 
«سلول خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟» سوالی است که در این سری از مقالات می خواهیم به همراه هم پاسخ آن را دریابیم. همچنین توسعه فناوری سلول های خورشیدی به واسطه فناوری نانو را در این مقالات بررسی خواهیم نمود. 

شکل1- برای تولید برق می توان سطوح مختلفی مانند پشت بام منازل را که در معرض تابش نور خورشید هستند، با استفاده از صفحات خورشیدی پوشاند.

نور خورشید و کاربردهای آن

لغت Solar یک کلمه ی لاتین برای خورشید یا "Sun" است که یک منبع قدرتمند انرژی به حساب می آید. در واقع، مقداری از نور خورشید که فقط در یک ساعت به زمین می تابد، می تواند انرژی مورد نیاز زمین را برای یک سال تأمین کند! امروزه نیروگاه های خورشیدی زیادی در سرتاسر دنیا فعال هستند. البته این نیروگاه ها هنوز به دلایل اقتصادی و تکنولوژیکی گسترش پیدا نکرده اند. نمونه ای از این نیروگاه ها را در شکل 2 مشاهده می کنید.

شکل 2- نمونه ای از یک نیروگاه خورشیدی

همانگونه که در کتاب فیزیک سال اول دبیرستان آموخته اید، از انرژی خورشیدی به دو صورت می توان استفاده کرد. یکی به عنوان منبع گرما (انرژی حرارتی) و دیگری به عنوان منبع انرژی الکتریکی (الکتریسیته). هرچند استفاده از انرژی خورشیدی محدود به این دو نیست. خورشید در حقیقت یکی از منابع حیات طبیعت است. برای مثال پدیده فوتوسنتز در گیاهان، با استفاده از انرژی خورشیدی انجام شده میشود. در این فرآیند انرژی خورشید صرف انجام واکنش شیمیایی درون برگ درختان می شود. ضمن اینکه نباید فراموش کرد که در سیاراتی که از سهم کمتری از انرژی خورشید برخوردار هستند، مانند نپتون، عملاً امکان حیات وجود ندارد!
مردم برای سال های طولانی از خورشید به عنوان منبع گرمایی استفاده می کردند. برای مثال خانواده ها در یونان باستان خانه های خود را به نحوی می ساختند که بیشترین مقدار نور خورشید را در طی زمستان دریافت کند. امروزه نیز علاوه بر سیستم های گرمایش آب، این جنبه از انرژی خورشید در کاربردهایی همچون خشک کردن محصولات کشاورزی مورد استفاده قرار دارد. در صفحه های خورشیدی نیز نور خورشید صرف تولید حرارت می شود. اما بحث اصلی در سلول های خورشیدی، تولید انرژی الکتریکی از نور خورشید و در واقع پدیده ی فتوولتائیک است. هرچند در ادامه اشاره ای مختصر به سیستم های خورشیدی حرارتی هم خواهیم داشت.
سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک در واقع وسیله ای الکترونیکی است که انرژی خورشید (یعنی انرژی تابشی رسیده از خورشید) را تحت فرآیندی به نام فتوولتائیک، به الکتریسیته تبدیل می کند. در واقع، پدیده فتوولتائیک، پدیده ای است که طی آن انرژی خورشیدی به صورت "مستقیم" به انرژی الکتریسیته تبدیل می شود و معنای لغوی آن الکتریسیته یا همان جریان الکتریکی ناشی از نور خورشید است. همان طور که می دانید، جریان الکتریکی به دلیل حرکت الکترون ها درون سیم ایجاد می شود. 
سلول های خورشیدی برای کاربردهای مختلفی استفاده می شوند. سلول های خورشیدی کوچک در قطعات الکترونیکی با ابعاد کوچک مانند ماشین حساب ها، سنسورها و ساعت های خانگی مورد استفاده قرار می گیرند. ماژول های خورشیدی نیز در تجهیزات عظیم تری مثل ایستگاه های فضایی موجود در مدار زمین و یا ماشین های خورشیدی استفاده می شوند. تجهیز نیروگاه های خورشیدی و تولید برق برای مناطقی که امکان برق رسانی به آن ها وجود ندارد و همچنین تأمین نیازهای الکتریکی منازل، طیف گسترده مصارف این قطعات را نشان می دهد. نمونه هایی این این کاربردها در شکل 3 نشان داده شده است. 

ماژول های خورشیدی، مجموعه ای از تعداد زیادی سلول خورشیدی هستند که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.

شکل 3- برخی کاربردهای سلول های خورشیدی: الف) یک ایستگاه فضایی، ب) چراغ روشنایی در یک خیابان، ج) یک ماشین حساب، د) یک ایستگاه شارژ ماشین های خورشیدی، ه) یک ماشین خورشیدی پیشرفته

مشکلات و ویژگی های استفاده از انرژی خورشیدی
دو مشکل اصلی در استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد. مشکل اول این است که این انرژی از راه های مختلف و متغیر به زمین می رسد. در این بین امکان تغییر مقادیر آن در مکان ها و زمان های مختلف وجود دارد. برای مثال در یک نقطه از زمین، در هنگام شب، تابش خورشید متوقف می گردد. در زمستان نیز میزان تابش کمتر از تابستان است. همچنین میزان انرژی خورشیدی دریافتی توسط ساکنین زمین، بسته به عرض و طول جغرافیایی و همچنین ارتفاع از سطح زمین در هر منطقه متفاوت است. مشکل دوم این است که برای جمع آوری انرژی خورشیدی، نیاز به سطح زیادی داریم. در واقع، بر خلاف سایر ادوات الکترونیکی مانند مدارهای مجتمع (IC) که هر روزه اندازه ی آن ها کوچک تر می شود، سلول های خورشیدی ادواتی وابسته به سطح هستند و هر چه سطح بزرگتری داشته باشند، انرژی بیشتری نیز تولید می کنند. 
الکتریسیته می تواند به صورت مستقیم به وسیله ادوات فتوولتائیک از انرژی خورشیدی به دست آید. دلیل اینکه بر روی مستقیم بودن این تبدیل تأکید می کنیم، از این جهت است که انرژی الکتریکی را می توان با روش های غیر مستقیم نیز از خورشید به دست آورد. برای مثال، موتورهای بخاری وجود دارد که انرژی لازم برای گرم کردن یک مایع را توسط جمع کننده های نور خورشید دریافت می کنند و آن را در یک محل مشخص متمرکز می نمایند. به این ترتیب مایع به بخار تبدیل شده و در نهایت در ژنراتور بخار، انرژی الکتریکی تولید می شود. نمونه ای از این دست نیروگاه ها را در شکل 4 مشاهده می کنید. 
در مقایسه با سایر روش های تولید انرژی الکتریکی، سیستم های فتوولتائیک الکتریسیته تمیز و در دسترس را بدون مصرف هر گونه سوخت فسیلی و بدون هر گونه حرکت مکانیکی تولید می کنند. نحوه ی عملکرد سلول های خورشیدی در مقالات بعدی به تفصیل توضیح داده خواهد شد. این فرآیند به صورت خلاصه اینگونه است که جذب انرژی موجود در نور خورشید توسط یک ماده نیمه هادی منجر به تولید الکترون شده و با خروج این الکترون ها از ماده، جریان الکتریکی شکل می گیرد. 

شکل4- نمونه ای از برخی نیروگاه ها ی خورشیدی که با متمرکز نمودن نور خورشید خورشید، گرمای لازم برای تولید بخار و به کار افتادن موتور و تولید الکتریسیته را تامین می کنند.

در پایان باید از این نظر نیز به سلول های خورشیدی نگاه کرد که اثرات مخرب محیط زیستی سلول های خورشیدی در مقایسه با سایر منابع انرژی مانند سوخت فسیلی و انرژی هسته ای (که حقیقتاً امروزه آلودگی های زیستی این دو محیط جزو بزرگترین دغدغه های طرفداران محیط زیست است) بسیار ناچیز است. در این سیستم ها، نه نیاز به آب برای خنک کردن سیستم است و نه محصولات جانبی در حین فرآیند تولید می شود. از طرف دیگر، یکی دیگر از مشکلات و دغدغه های اساسی دنیای امروز، پایان یافتن منابع سوخت فسیلی به عنوان مهمترین منبع فعلی انرژی دنیا است. پیش بینی ها به طور متوسط چنین می گویند که طی 50 سال آینده منابع نفت و طی 110 سال آینده منابع گاز به پایان خواهند رسید. از این رو، دسترسی به یک منبع پایان ناپذیر انرژی امری بسیار ضروری به نظر می رسد. انرژی خورشیدی، علاوه بر پایان ناپذیر بودن، منبعی است که انرژی بسیار عظیمی را در اختیار بشر می گذارد و همچنین در اکثر نقاط دنیا قابل دسترسی است و انرژی پاکی به شمار می رود. امروزه، تنها مشکلی که از توسعه گسترده این انرژی جلوگیری کرده است، هزینه تمام شده نسبتاً بالای آن است که امکان رقابت آن با سایر انرژی ها مانند هسته ای و فسیلی را هنوز ممکن نکرده است. تلاش های دانشمندان در راستای افزایش بازده و کاهش قیمت این سلول ها در کنار ابداع روش های آسان برای ساخت و تهیه این سلول ها در ابعاد بزرگ است. پیش بینی ها بیان می کنند که طی 20 سال آینده، انرژی خورشیدی از نظر اقتصادی قابل رقابت با انرژی فسیلی خواهد شد. در واقع، علاوه بر کاهش هزینه های سلول خورشیدی، انرژی فسیلی نیز روندی صعودی در قیمت ها داشته است. همین امر سبب شده است که دولت ها، برنامه ریزی های استراتژیکی را برای دسترسی به این منبع انرژی انجام دهند و گروه های زیادی را برای دسترسی به این هدف مأمور کرده اند. 
در نهایت....
تا اینجا سعی شد مقدمه ای بر سلول های خورشیدی مطرح شود و اساساً لزوم توجه به این تکنولوژی و تحقیق و گسترش آن مورد بحث قرار گیرد. در ادامه مطالب، به صورت جزئی، نحوه عملکرد و انواع سلول های خورشیدی به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.

نویسنده :

روح الله خسروشاهی دانشجوی دکتری تخصصی - دانشگاه صنعتی شریف