جنس سلول های فتوولتائیک و ماده اصلی مورد استفاده در سلول های خورشیدی

جنس سلول های فتوولتائیک و ماده اصلی مورد استفاده در سلول های خورشیدی همان سیلیکون تک کریستالی است که باید با ۹۹/۹۹ درصد خالص شده و به شکل کریستالی درآید و در لایه های نازکی بریده شود که در نتیجه این مراحل قیمت آن بالا می رود. نیمه رساناهای دیگری نیز وجود دارند که می توانند در ساختار این سلول ها به کار روند و با توجه به آنچه گفته شد این نیمه رساناها دارای اختلاف باندی بین ۱ تا ۱/۶ الکترون ولت می باشند و اختلاف باند بهینه برای تعادل ولتاژ و جریان و ماکزیمم شدن توان در حدود ۱/۴ev می باشد.
مواد نیمه رسانایی که در سلول ها استفاده می شوند باید مانند سیلیکون قابلیت ناخالص شدن و تشکیل نوع N و P را داشته باشند تا بتوانند اتصال PN یا حوزه الکتریکی را که مهم ترین عامل برای عملکرد سلول می باشد، به وجود آورند. این عمل بسته به نوع ماده به شکل های گوناگونی انجام می گیرد. نمونه ای از این مواد عبارتند از سیلیکون آمورف، فیلم های نازک تهیه شده از مواد چند کریستالی مانند سیلیکون چند کریستالی که ارزان تر از سیلیکون تک کریستالی است ولی راندمان پایین تری دارد که تحقیقات برای بهبود عملکرد آن در حال انجام است. دیگر مواد چند کریستالی عبارتند از:کادمیم تولراید (CdTe) و وانیدیم مس دی سلناید (CuInSez) که امید است در آینده ای نزدیک از آنها استفاده شود. ماده دیگری که به عنوان یکی از مواد مهم در ساخت سلول ها مورد استفاده قرار می گیرد گالیوم آرسناید( GaAs) است. این ماده دارای Eg = ۱/۴ev می باشد که به مقدار بهینه انرژی اختلاف باند بسیار نزدیک است، در نتیجه راندمان سلول های ساخته شده از GaAs نسبت به مواد دیگر بالاتر است. GaAs نیز مانند سیلیکون دارای ساختار تک کریستالی است.
گالیوم آرسناید (GaAs)
گالیوم آرسناید یک نیمه رسانای مرکب ترکیبی از گالیوم (Ga) و آرسنیک (As) است. گالیوم در اثر بازیافت فلزات دیگر، به خصوص روی و آلومینیم به وجود می آید و مقدار آن در طبیعت نایاب تر از طلا می باشد. آرسنیک در طبیعت نایاب نیست ولی سمی می باشد. گالیوم آرسناید معمولا به وسیله ایندیم فسفر یا آلومینیم ناخالص می شود تا قسمت N و P را به وجود آورد. ساختار این ماده نیز مانند سیلیکون کریستالی است. بدین دلایل گالیوم آرسناید در سلول های ترکیبی و سلول های با راندمان بالا مورد استفاده قرار می گیرد:
1- مقدار Eg برای گالیوم آرسناید ( ۱/۴۳ev (GaAs است که به مقدار ایده آل برای سلولهای خورشیدی بسیار نزدیک است.
۲- دارای قدرت جذب بسیار بالا می باشد و لایه ای به ضخامت چند میکرون برای جذب بالای نور خورشید دارا است (سیلیکون کریستالی حداقل احتیاج به لایه ای با ضخامت ۱۰۰ میکرون دارد).
۳- بر خلاف سلول های سیلیکونی، گالیوم آرسناید در مقابل گرما بسیار مقاوم است. دمای سلول می تواند بسیار بالا باشد و راندمان آن تغییر نکند. این خاصیت در سلول هایی که در آنها از متمرکز کننده یا سیستم ردیاب استفاده میشود، بسیار مفید است.
۴- آلیاژهایی که با استفاده از آلومینیم، فسفر، آنتیموان و یا ایندیم از گاليوم آرسناید به دست می آیند دقیقا همان خواص گالیوم آرسناید را دارند. این خاصیت باعث انعطاف پذیری بسیاری در طراحی سلول می شود.
۵- گاليوم آرسناید در مقابل تشعشعات بسیار مقاوم است. این خاصیت و راندمان بالای آن، GaAs را برای کاربردهای فضایی بسیار مناسب می سازد.
یکی از بزرگترین خواص گالیوم آرسناید و آلیاژهای آن، این است که امکان طیف وسیعی از طراحی های مختلف را به ما می دهد. یک سلول از جنس گالیوم آرسناید میتواند لایه های مختلف از ترکیبات گاليوم آرسناید را داشته باشد که میتوان به خوبی تشکیل جفت های الکترون و حفره را در آن کنترل کرد (در سیلیکون، ناخالص ساختن و تشکیل نوع N و P دارای محدودیت هایی بود). این خواص باعث می شوند که طراح بتواند راندمان سلول خورشیدی را به راندمان تئوری ماکزیمم که بعدأ شرح داده خواهد شد بسیار نزدیک سازد.
علت اصلی عدم استفاده از گالیوم آرسناید به عنوان ماده اصلی در سلول های روی زمین، قیمت بالای کریستال آن می باشد. به همین دلیل این ماده معمولا در سلول هایی که دارای متمرکز کننده و یا سیستم ردیاب می باشند، استفاده می شود. یک سلول متمرکز کننده دارای مساحت ۰/۲۵ سانتی مترمربع می باشد و می تواند توان نسبتا بالایی تولید کند. در این حالت با توجه به این که راندمان مدول می تواند تا حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد برسد، قیمت این سلولها تا حدودی قابل رقابت به نظر می رسد. تحقیقات برای پایین آوردن قیمت این ماده و همچنین تهیه فیلم نازک گالیوم آرسناید در حال انجام می باشد.