مروری بر سلول‌های خورشیدی چندپیوندی (Tandem)

سلول‌های خورشیدی چند پیوندی یا تندم (Tandem Solar Cells)

سلول‌های خورشیدی تک اتصالی (single junction) به دو دلیل نمی‌توانند از تمام طیف خورشیدی بهره ببرند. دلیل اول این است که، فوتون‌ها با انرژی کمتر از بندگپ ماده جاذب توان جذب شدن و تولید الکترون را نخواهند داشت. بعلاوه، انرژی اضافی فوتون‌ها با انرژی بالاتر از بندگپ هدر می‌رود و سهم این انرژی بالا تنها یک الکترون در جریان نهایی خواهد بود.

بنابراین با تقسیم کردن طیف خورشیدی (spectrum)، یعنی استفاده از چند سلول خورشیدی با بندگپ (bandgap) متناسب با هر قسمت طیف، می‌توان جلوی هدر رفتن انرژی فوتون‌ها را گرفت. به عبارتی، با استفاده از نیمه‌هادی‌هایی با بندگپ‌های متفاوت در سلول‌های خورشیدی، فوتون‌ها با انرژی‌های متناسب با بندگپ آن‌ها جذب خواهند شد.

ساده‌ترین حالت این ساختار، زمانی است که دو نوع جاذب (سلول) پشت سر هم قرار گیرند، که به این حالت تندم می‌گوییم. در این ترکیب، تابش ابتدا باید با جاذب با بندگپ بالاتر برخورد کند (شکل 1)، زیرا نور با انرژی بیشتر با ولتاژ خروجی بیشتر جذب خواهد شد. از طرفی این ماده باید برای عبور نور با انرژی کمتر شفاف باشد، تا نور از آن عبور کرده و به جاذب بعدی برسد.

شکل 1 نحوه قرارگیری جاذب‌ها در سلول‌های تندم

دو نوع طراحی برای سلول‌های خورشیدی تندم وجود دارد: مدل یکپارچه (monolithic) و مدل mechanically stacked یا چهار ترمینالی (شکل 2). مدل mechanically stacked شامل دو سلول جدا از هم (سلول‌های زیرلایه و رولایه) می‌شود، که به همین دلیل نیازی به همخوانی جریان‌ها نداریم و در نتیجه در ترکیب مواد با بندگپ متفاوت محدودیت نخواهیم داشت. همانطور که در شکل زیر نیز مشخص شده است، نور با رنگ آبی با انرژی بالاتر جذب سلول با نیمه‌هادی با بندگپ بزرگ‌تر می‌شود.

شکل 2 تصویر سمت چپ مدل مونولیتیک و تصویر سمت راست مدل mechanically stacked را نشان می‌دهد.

در مدل four terminal، که آسان‌ترین مدل از نظر ساخت سلول‌های تندم است، بازده در آزمایشگاه‌ها به ۳۰٪ نیز رسیده است. البته با در نظر گرفتن تمامی محدودیت‌های ترمودینامیکی، DeVos [1] بازده تئوری و نظری در AM1 را برای تندم four terminal ۳/۴۲٪، در بندگپ‌های ۰/۱ و ۹/۱ الکترون ولت، اعلام کرده است (شکل 3).

در یک تندم مونولیتیک، دو سلول به صورت سری به هم متصل شده‌اند، که به همین دلیل محدودیت جریان (current matching) خواهیم داشت. با توجه به شکل 4 می‌توان مشاهده کرد که رنج کوچکی از بندگپ‌ها می‌توانند بازده بالا در نوع مونولیتیک را ارئه دهند، در حالی که در نوع four terminal این رنج گستردگی بیشتری دارد. دلیل این امر نیز همان محدودیت در current matching  است.

شکل 3 محدودیت بازده یک تندم دو سلولی به صورت عملکردی از بندگپ‌های دو نیمه‌هادی مورد استفاده [1].

شکل 4 مقایسه بازده و محدوده بندگپ‌های دو سلول تندم مونولیتیک و ۴ اتصالی [2].

درباره انواع سلول‌های خورشیدی تندم این مطلب را بخوانید.

منابع

[1]      A. De Vos, “Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 13, no. 5, pp. 839–846, 1980.

[2]      (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/pip.799) H.-J. Pral, “TANDEM SOLAR CELLS,” 2005.

[3]       https://www.pveducation.org/pvcdrom/tandem-cells

[4]      https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-junction_solar_cell