کشف اثر فوتوولتایی به سال ۱۸۳۹ برمی‌گردد، اما توسعه و کاربردی شدن آن به کندی صورت گرفته است.

با پیشرفت مکانیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم، توضیح پدیده‌های مربوط به تبدیل نور به الکتریسیته، میسر گردید و اهمیت مواد نیمه‌رسانای تک بلور کشف و رفتار پیوند n-p توضیح داده شد.

در سال ۱۹۵۴ چاپین (Chapin) و همکارانش در آزمایشگاه بل (Bell Labs) یک سلول خورشیدی سیلیکونی(با بازده %۶) اختراع کردند.

در اواخر دهه ۱۹۵۰، سلول‌های خورشیدی برای تأمین نیروی الکتریکی سیستم‌های ماهواره‌ای استفاده شدند، زیرا این قطعات برای یک دوره طولانی نیاز به حفاظت و نگهداری نداشتند و بدون افت زیاد در بازده تبدیل، بسیار مفید بودند.

در دهه ۱۹۷۰ دانشمندان دریافتند که استفاده از اثر فوتوولتایی، می‌تواند پیشنهاد مناسبی در جهت تولید انرژی از منابع غیر فسیلی باشد.

در قرن گذشته اقتصاد بر روی منابع مختلف انرژی از قبیل انرژی هسته‌ای، آب، باد، نفت و گاز تمرکز داشت.

تولید انرژی الکتریکی با استفاده از زغال سنگ، گاز و نفت مقادیر زیادی آلودگی (دی‌اکسیدکربن) منتشر می‌کند و از این رو مخاطرات سلامتی مطرح می‌شود.

انرژی هسته‌ای بسیار گران و درگیر مسئله پرتودهی و پسماندهای خطرناک است.

همه این منابع تولید انرژی الکتریکی درگیر مسائل نگهداری، حمل و نقل و تحویل روزانه با وجود شرایط آب و هوایی نامساعد هستند.

از سوی دیگر، انرژی خورشیدی، منبعی بدون آلودگی، بی‌نیاز به دستگاه‌های کمکی برای حمل و نقل را فراهم می‌کند.

با وجود این فوائد، سلول‌های خورشیدی تنها % ۰٫۰۴ از الکتریسیته شبکه جهانی را تولید می‌کنند، که دلیل آن هزینه بالای تولیداین سلول‌ها است.

انواع سلول‌های خورشیدی:

سلول‌های خورشیدی را می‌توان به دو دسته مجزا تقسیم کرد:

سلول‌های خورشیدی متداول، مانند پیوندگاه‌های p-n سیلیکونی و سلول‌های خورشیدی اکسیتونی(XSCها یا Excitonic Solar Cells).

بیشتر سلول‌های خورشیدی بر پایه مواد آلی، شامل سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای ( DSSC یا Dye-sensitized solar cells) و سلول‌های ترکیبی غیرآلی-پلیمری (Polymer-Inorganic Hybrid Cells)، در دسته XSC ها، قرار می‌گیرند.

چندرسانه ای ۱ : سلول خورشیدی حساس شده با رنگدانه(DSSC)

سلول‌های خورشیدی متداول:

این سلول‌ها، از پیوندگاه‌های صفحه‌ای سیلیکونی ‌(نیمه‌رساناهای نوع n و p) ساخته می‌شوند، ‌که پتانسیل الکترواستاتیک در فصل مشترک، نیروی محرکه برای جدایی بارها را فراهم می‌کند.

هنگامی که فوتون‌های نور به اتم‌های نیمه‌رسانا، برخورد می‌کنند‌، الکترون‌ها از جای خود بیرون رانده می‌شوند.

جدا شدن الکترون‌ها، اتم‌هایی با بار مثبت باقی می‌گذارد.

این اتم‌ها الکترون‌های آزاد در سیلیکون را جذب می‌کنند.

اگر یک پیوند n-p در سیلیکون تشکیل شود، این حرکت تصادفی می‌تواند به یک جریان از الکترون‌ها تبدیل شود.

الکترون‌های جدا شده بوسیله فوتون‌ها در نزدیکی پیوند n-p به سمت ناحیه p پیوندگاه جذب می‌شوند، که نتیجه آن، بوجود آمدن یک جریان در حضور نور است.

مقدار جریان (بر حسب آمپر) مستقیماً متناسب با شدت نور است.

پتانسیل جریان بر حسب ولت به شدت نور وابسته نیست.

اگر بوسیله هر فوتون که با سلول خورشیدی برخورد می‌کرد، یک الکترون جدا می‌شد، سلول %۱۰۰ نوری را که به آن می‌رسید، به الکتریسیته تبدیل می‌کرد.

درحالیکه بازده سلول‌های خورشیدی واقعی %۵ تا %۲۰ است.

پیوندگاه p-n ، خواص الکتریکی:

نقش مهم پیوند n-p، تفکیک بار (الکترون‌ها و حفره‌ها) تولید شده بوسیله نور است.

در شکل(۱) نوار انرژی نیمه‌رساناهای نوع n و p نشان داده شده است.

هنگامی که یک پیوند n-p تشکیل می‌شود، گرادیان‌های بزرگ تراکم حامل موجب پخش حامل‌ها می‌گردد.

به این صورت که حفره‌ها از نیمه رسانای نوع p به نیمه رسانای n و الکترون‌ها از نیمه رسانای نوع n به نیمه رسانای نوع p پخش می‌شوند.

به دلیل وجود اتم‌های ناخالص یونیزه شده، هنگامی‌که الکترون‌ها و حفره‌ها در عرض پیوند پخش می‌شوند، یک لایه بدون حامل‌های بار متحرک، تشکیل می‌شود(شکل(a)2).

این ناحیه را، ناحیه سدی (تهی depletion Region) می‌نامند.

ناحیه سدی، بوسیله یون‌های دهنده و پذیرنده یونیزه شده، باردار می‌شود.

این بار فضایی، یک میدان الکتریکی بوجود می‌آورد که با پخش بار در عرض پیوند، مخالفت می‌کند.

هنگامی که جریان سوق ناشی از میدان الکتریکی با جریان پخش ناشی از گرادیان تراکم حامل، برابر می‌شود، تعادل گرمایی برقرار ‌شده و در این هنگام، سطوح فرمی نیمه‌رساناهای نوع n و نوع p ، مساوی می‌شوند (شکل(b)2).

اختلاف پتانسیل الکترواستاتیک بین نیمه‌رساناهای نوع n و نوع p در تعادل گرمایی، پتانسیل درونی (built-in potential)، نامیده می‌شود و مساوی با اختلاف تابع کار سمت p و سمت n است [۸-۶]:

                                           (۱)                                                            

که وبترتیب تراکم یون‌های پذیرنده و دهنده در نیمه‌رساناهای نوع n و نوع p و تراکم حامل ذاتی می‌باشد.

در واقع، برقراری یک سطح فرمی برای سیستم در حالت تعادل گرمایی( مانند شکل b)2) بوسیله تولید یک انرژی پتانسیل الکترواستاتیک انجام می‌شود که پتانسیل درونی دارد.

به دلیل وجود این انرژی پتانسیل، نوارهای رسانش و ظرفیت در ناحیه اتصال دو نیمه‌رسانا دچار خمیدگی (band bending) می‌شوند.

شکل۱-  نوار انرژی و حامل‌های اکثریت نیمه‌رساناهای نوع n و(۶)p

شکل۲- a) ساختار شماتیکی پیوند n-p و b) نمودار نوار انرژی آن در تعادل گرمایی [۶].

مشخصه‌های جریان- ولتاژ ایده‌آل تحت تاریکی:

در یک پیوند n-p، بین جریان با جهت موافق (که در آن الکترون‌ها از ناحیه n و حفره‌ها از ناحیه p به سمت پیوندگاه حرکت می‌کنند) و جریان با جهت معکوس (که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها از پیوندگاه دور می‌شوند) تمایز وجود دارد.

هنگامی‌که جهت جریان موافق است(شکل(a)3) الکترون‌ها از ناحیه n و حفره‌ها از ناحیه p به سمت ناحیه تهی می‌آیند و به عنوان حامل‌های اقلیت در ناحیه‌ای که به طور مخالف آلاییده (oppositely doped region) شده است، حرکت می‌کنند و در آنجا پس از طی مسیر متوسطی که از مرتبه طول پخش است، بازترکیب می‌شوند (الکترون‌ها در سمت n و حفره‌ها در سمت p حامل اقلیت هستند).

هنگامی‌که جهت جریان معکوس است(شکل ۳b الکترون‌ها از ناحیه p و حفره‌ها از ناحیه n به سمت ناحیه تهی می‌آیند[۸-۶].

هنگامی که یک پیش‌ولت (bias) با اتصال پایانه مثبت به سمت p و پایانه منفی به سمت n استفاده شود، ولتاژ به کار گرفته شده، پتانسیل الکترواستاتیک در ناحیه تهی را کاهش می‌دهد(شکل۴a .

این قطبیدگی، پیش‌ولت موافق (forward bias) نامیده می‌شود.

در این مورد جریان سوق، کاهش می‌یابد و پخش الکترون‌ها و حفره‌ها به ترتیب از سمت n به سمت p و از p به n افزایش می‌یابد.

در تعادل گرمایی، تراکم الکترونی در سمت nبرابر است با[۶]:

 (۲)                                                                         

وبه ترتیب تراکم الکترون در نیمه‌رسانای نوع- n و نوع p در شرایط تعادل گرمایی است.

با استفاده از تراکم الکترونی در مرز ناحیه تهی در سمت p ،(که از تراکم حامل اقلیت بدست می‌آید) می‌توان تراکم الکترونی در مرز ناحیه تهی در سمت n را محاسبه کرد.

بنابراین هنگامی که یک پیش‌ولت موافق،  بر پیوند اعمال شود و در شرایط تزریق کم () تراکم الکترونی در مرز ناحیه تهی در سمت n، بدست می‌آید:

 

شکل۳- پیوند n-p : a) پیش‌ولت موافق و b) پیش‌ولت مخالف [۸].

شکل۴- نمودار نوار انرژی تحت a) پیش‌ولت موافق و b) پیش‌ولت مخالف [۶].

در لایه n، معادله پیوستگی حالت پایا برابر است با:

                                              (۴)                                         

حل این معادله دیفرانسیلی به صورت زیر است:

   (۵)                                      

کهx_nپهنای لایه تهی سمت n و L_pطول پخش حفره‎‌ها در سمت n را نشان می‌دهد.

بنابراین، چگالی جریان پخش در سمت n درx=x_nبرابر است با:

(۶)                        

به طور مشابه، چگالی جریان پخش در سمت p درx=-x_pبرابر است با:

 

(۷)                         

که طول L_nپخش الکترون‌ها در لایه p است. بنابراین، چگالی جریان نهایی برابر می‌شود با:

    (۸)    

J_oچگالی جریان اشباع نامیده شده و با عبارت زیر نشان داده می‌شود[۸-۶]:

(۹)                                   

هنگامی که یک پیش‌ولت معکوس بر روی پیوند به کار گرفته شود، ولتاژ اعمال شده، V_R، ولتاژ الکترواستاتیک در ناحیه تهی را افزایش می‌دهد(شکلb)4).

بنابراین، چگالی جریان پخش متوقف می‌شود.

به طور مشابه، مشخصه جریان- ولتاژ تحت یک پیش‌ولت معکوس با عبارت زیر داده می‌شود[۸-۶]:

(۱۰)                                                                 

شکل(۴) نمودار انرژی دو نیمه‌رسانا در ناحیه پیوند، تحت پیش‌ولت موافق و مخالف نشان می‌دهد.

---

اثرات تولید و بازترکیب حامل:

ساختن یک پیوند n-p، با مشخصه جریان- ولتاژ ایده‌آل، مشکل است.

در یک سلول واقعی، بحث درباره تولید و بازترکیب حامل در ناحیه تهی، مفید خواهد بود.

در شرایط پیش‌ولت معکوس، تولید الکترون‌ها وحفره‎‌ها در ناحیه تهی، در میانه تراز انرژی نیمه‌رسانا در گاف ممنوعه انرژی رخ می‌دهد.

در پیش‌ولت موافق، حامل‌ها در نوار انرژی (در گاف ممنوعه انرژی) بازترکیب می‌شوند (شکل۳).

جریان بازترکیب با عبارت تقریبی زیر داده می‌شود[۸و۶]:

(۱۱)                                                                               

 

چگالی جریان موافق در پیوند n-p واقعی، با رابطه تجربی زیر داده می‌شود[۸-۶]:

           (۱۲)                                                                         

که عامل ایده‌آلی نامیده می‌شود و مقادیر بین ۱ و ۲ دارد. در پیوند n-p ایده‌آل، هنگامی‌که جریان پخش غالب است، و هنگامی‌که جریان بازترکیب غالب است، می‌باشد.

---

۳-۳- خواص فوتو ولتایی:هنگامی‌که پیوند n-p تحت تابش نور خورشید قرار می‌گیرد، جفت‌های الکترون- حفره، تولید می‌شوند، که تعدادشان وابسته به شدت نور است.به دلیل میدان الکتریکی موجود در ناحیه سدی، سوق الکترون‌ها به سمت ناحیه n و حفره‌ها به ناحیه p ، صورت می‌گیرد.هنگامی که یک سیم خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی از n به سمت p بوجود می‌آورد (شکل۵).به این ترتیب الکترون- حفره‌های تولید شده در یک فاصله طول پخش از لبه ناحیه تهی، سهمی در فوتوجریان خواهند داشت.نمودار نوار انرژی در مدار کوتاه و مدار باز در شکل(۶) نشان داده شده است.هنگامی که دو سمت n و p در یک مدار کوتاه واقع می‌شوند، به جریان، جریان مدار کوتاه L_sc(Short-circuit current،  ، نامیده می‌شود و در صورتی که مقاومت سری صفر باشد، با جریان فوتوتولیدیL_L، ، برابر است.

هنگامی که دو سمت n و p ایزوله می‌شوند، الکترون‌ها به سمت n و حفره‌ها به سمت p ، حرکت می‌کنند، که منجر به تولید پتانسیل می‌شود.

ولتاژ ظاهر شده، ولتاژ مدار باز (Open-circuit photovoltage)، ، نامیده می‌شود [۷-۶].

شکل۵- شماتیکی از جریان حامل در پیوند n-p تحت تابش، قرارگرفته در یک مدار کوتاه، که W پهنای ناحیه سدی است [۶].

شکل۶-  نمودار انرژی پیوند n-p تحت تابش،a) جریان مدار کوتاه و b) مدار باز [۶].

با فرض واحد بودن مساحت سلول، مشخصه جریان- ولتاژ پیوند n-p تحت تابش با رابطه زیر داده می‌شود [۸-۶]:

(۱۳)                                                                       

 

در مدار باز که است، ولتاژ از رابطه زیر بدست می‌آید[۸-۶]:

  (۱۴)                                                                               

هنگامی که سلول خورشیدی تحت شرایطی عمل کند که توان خروجی آن ماکزیمم باشد، در نقطه عمل بهینه، ولتاژ V_mو جریانI_mخواهد بود.

وI_scعوامل V_ocتعیین کننده بازده یک سلول خورشیدی هستند، که در آینده بیشتر به آنها می‌پردازیم.

بازده نهایی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی، ، به عنوان نسبت ماکزیمم توان الکتریکی خروجی تولید شده به توان کامل نور برخوردی تعریف می‌شود و از رابطه زیر بدست می‌آید [۸-۶]:

 

(۱۵)                                                           

که J_sc  در آن چگالی فوتوجریان اندازه‌گیری شده در مدار کوتاه،V_ocولتاژ مدار باز، عامل پرشدگی (Fill Factor) سلول و P_inشدت نور برخوردی است.

FF دارای مقادیر بین صفر تا یک است و به صورتتعریف می‌شود.

به منظور افزایش بازده یک سلول، بیشینه همه پارامترهای فوتو ولتایی مورد نیاز است.

پارامترهای فوتو ولتایی، تحت شرایط آزمایشی استاندارد برآورد می‌شوند.

طیف استاندارد برای اندازه‌گیری بازده سلول‌های خورشیدییا توده هوا: تابش خورشیدی در هنگام عبور از اتمسفر، تا اندازه‌ای جذب می‌شود.

جذب، اغلب به دلیل وجود گازها و ذرات غبار صورت می‌گیرد [۸].)، با چگالی توان فرودی۱۰۰۰ و دمای۲۵ است [۶].

---

بحث و نتیجه‌گیری:

به منظور تولید ولتاژ در یک سلول خورشیدی، به یک پیوند p-n نیاز داریم.

نقش پیوند n-p، تفکیک حامل‌های بار تولید شده بوسیله نور است.

به دلیل وجود میدان الکتریکی در ناحیه سدی پیوند n-p، سوق الکترون‌ها به سمت ناحیه n و حفره‌ها به ناحیه p ، صورت می‌گیرد.

هنگامی که یک سیم خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی از n به سمت p بوجود می‌آورد.

به این ترتیب الکترون- حفره‌های تولید شده در یک فاصله طول پخش از لبه ناحیه تهی، سهمی در فوتوجریان خواهند داشت.

در شرایط پیش‌ولت معکوس، تولید الکترون‌ها وحفره‎‌ها در ناحیه تهی، در میانه تراز انرژی نیمه‌رسانا، در گاف ممنوعه انرژی رخ می‌دهد.

در پیش‌ولت موافق، حامل‌ها در تراز انرژی، در گاف ممنوعه انرژی، بازترکیب می‌شوند.

سه پارامتر فوتو‌ولتایی تعیین کننده بازده یک سلول خورشیدی عبارتند از:

۱- جریان مدار کوتاه I_sc

۲- ولتاژ مدار بازV_oc،

و ۳- عامل پرشدگیff