فتوولتائیک چیست؟
استفاده از سیستم فتوولتائیک (بطور خلاصه PV) بهترین راه برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته است و بر اساس اثر فتوولتائیک می باشند. اولین بار توسط هنری بکرل در سال ۱۸۳۹ مشاهده شد. این رویداد را می توان بطور کلی به این شکل تعریف کرد که ظهور ولتاژ الکتریکی بین دو الکترود که به یک مایع یا جامد متصل شده اند تحت تابش نور را اثر فتوولتاییک گویند. در سلول های خورشیدی جذب نور در مواد نیمه رسانا صورت میگیرد. مواد نیمه رسانا باید قادر باشند بخش زیادی از طیف نور خورشید را جذب کنند.
بسته به خواص جذب ماده، نور در ناحیه خیلی نزدیک یا دورتر جذب سطح می شود. زمانی که کوانتا های نور جذب شدند، جفت الکترون حفره شکل می گیرد، و در صورت عدم بازترکیب می توانند به پیوندگاه برسند، که در آنجا توسط میدان الکتریکی جدا می شوند. حتی برای نیمه رساناهای جاذب ضعیفی چون سیلیکون، بیشتر حاملها نزدیک به سطح تولید می شود. این امر منجر به ساختار سلول خورشیدی بر اساس فوتولتاییک می شود.
پیوند pn که emitter و base layer را از هم جدا میکند، بسیار به سطح نزدیک است تا احتمال بالایی برای جمع حاملهای بار تولید شده ناشی از نور وجود داشته باشد. بازدهی سلولهای خورشیدی امروزی در محدوده ۱۳ تا ۱۶% است. بهترین مقدار آزمایشگاهی برای بازدهی سلولهای خورشیدی کریستالی سیلیکونی تابحال ۲۴٫۷% بوده است، که به حد نظری این نوع از سلولها رسیده است.
تاریخچه سلول های فتوولتائیک
در سال ۱۸۳۹ بکرل اثر فتوولتاییک را کشف کرد ، بدین معنی که وی مشاهده کرد زمانی که الکترود های پلاتینیوم پوشیده شده با هالوژن نقره در محلول رقیق تحت تابش قرار میگیرند ، فتوجریانی ایجاد می شود (اثر فتوالکتروشیمیایی) .
نوررسانی (Photoconductivity) سلنیوم توسط اسمیت در سال ۱۸۷۳ مشاهده شد. اولین مشاهده نوررسانی مواد آلی (انتراسن) توسط پوچه تینو در سال ۱۹۰۶گزارش شد. نور رسانی در پلیمرهای PVK در ۱۹۵۷ مشاهده شد. در همین زمان اولین سلولهای فتوولتاییک غیر آلی در آزمایشگاه بل تولید شده بود .این سلولها بر اساس سیلیکونهای کریستالی بوده است ، و بازدهی آنها ۶% بود. بازدهی این سلول ها در مورد Si کریستالی به ۲۴٫۴% و برای فیلم نازک CIGS به بالای ۲۰% رسید. همانطوریکه بیان شد سلولهای سیلیکونی ۹۹% تولید جهانی را در بر گرفته اند. با اینحال حتی اگر قیمت این سلولها کاهش یابند، همچنان بسیار گران خواهند بود و انرژی فتوولتاییک کمتر از ۰٫۱% کل انرژی تولیدی جهان را شامل خواهد شد .
در صورت استفاده از فرایندهای کم هزینه برای تولید ماژولهای فتوولتاییک، نیمه رساناهای آلی جایگزینهایی ارزان قیمت برای نیمه رساناهای آلی می باشند. علاوه براین این مواد انرژی کمتری مصرف می کند. در حین دهه های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ کارهای زیادی در این حوزه انجام گرفت، اما به دلیل پایین بودن غلظت و تحرک پذیری حاملهای بار آزاد، بازدهی بسیار پایین (۱۰-۹ %) حاصل شد.
در طول حداقل ۱۰ سال توجه بیشتری به سلولهای فتوولتاییک آلی معطوف شد. این انگیزه ها با دو پیشرفت اخیر در حوزه نیمه رساناهای آلی دو چندان شد . اول این که نشان داده شد که بازدهی کوانتومی انتقال الکترون از پلیمر برانگیخته به C60 بسیار بالاست و انتقال بسیار سریع می باشد، که برای جدایی بار در سلولهای PV امیدوارکننده است. دوم اینکه توسعه پیشرفت نمایشگرهای آلی پربازده بر اساس قطعات نورگسیل آلی (OLED) نشان داد که الکترونیک آلی بسیار مناسب و قابل ترقی می باشد. این نمایشگرهای تازه توسعه یافته از فناوری کم هزینه بهره می بردند و این توسعه فناوری می تواند برای دستیابی به سلولهای خورشیدی PV نیز مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین فناوری OLED ها ترسیم گر مسیر پیشرفت در سلولهای خورشیدی PV شد. البه باید متذکر شد که امروزه حقیقت برعکس می باشد.
قطعات ساخته شده از دولایه پلیمرهای مزدوج / C60 به بازدهی بیش از ۰٫۱% نمی رسیدند، که این به دلیل محدود بودن سطح تماس لایه میان دهنده و پذیرنده بوده است. چند سال قبل، شاهین و همکارانش سلول خورشیدی از ترکیب MDMO-PPV با PCBM با بازدهی ۲٫۵ % گزارش کرده اند.
علاوه براین سلول دولایه CuPc/C60 ، با یک لایه سدکننده اکسایتون، منجربه بازدهی ۳٫۶% شده است ، که نشان می دهد که ساختار های دولایه نیز امکان دستیابی به بازدهی بالا را فراهم می کند.
