چرا سلول خورشیدی ۱۵ الی ۲۵ درصد انرژی خورشید را جذب می کند؟

در پاسخ به اینکه چرا سلول خورشیدی ۱۵ الی ۲۵ درصد انرژی خورشید را جذب می کند؟ باید گفت نور مرئی فقط قسمتی از طیف الکترومغناطیسی می باشد. تشعشعات الکترو مغناطیسی تک رنگ نیستند و از طیف وسیعی از طول موجهای مختلف و در نتیجه انرژی های مختلف تشکیل شده اند. تجزیه نور به طول موج های مختلف باعث تشکیل رنگین کمان می شود. نوری که به سلول خورشیدی برخورد می کند دارای فوتونهایی با طیف وسیعی از انرژی می باشد. تعدادی از این فوتونها دارای انرژی بسیار کم و تعدادی از آنها دارای انرژی بسیار زیادی می باشند. تنها مقدار معینی از انرژی برای آزاد کردن الکترون لازم است. مقدار این انرژی توسط ماده مورد نظر سلول مشخص می شود و با واحد الکترون ولت اندازه گیری می شود که مقدار آن برای سیلیکون کریستالی ۱/۱۰۷ می باشد (الکترون ولت مقدار انرژی است که باید در خلأ به الكترون داده شود تا از نقطه ای به نقطه دیگر با اختلاف پتانسیل ۱ ولت حرکت کند. ۱۹- ۱/۶۰۲۸۱۰=1ev). به این انرژی، انرژی اختلاف باند گویند که با Eg نشان داده میشود.
اگر انرژی فوتون از مقدار فوق کمتر باشد توانایی تشکیل جفت الكترون حفره را نخواهد داشت یا به عبارتی انرژی فوتون برای تشکیل جفت الكترون حفره کافی نخواهد بود. در این حالت اگر ماده سلول نامرئی باشد این فوتونها از آن عبور می کنند. حال اگر میزان انرژی فوتون بیشتر از مقدار مورد نیاز باشد، مقداری از انرژی صرف آزاد شدن الكترون شده و انرژی اضافی به صورت گرما هدر خواهد رفت که این امر باعث بالا رفتن دمای سلول خواهد شد. ممکن است انرژی فوتون دو برابر انرژی اختلاف باند (Eg) باشد و بتواند ۲ جفت الكترون حفره آزاد کند که البته این حالت بسیار کم اتفاق می افتد. همان طور که گفته شد طیف نور خورشید از مادون قرمز تا ماورای بنفش در رنجی از انرژی بین ۰/۵evتا ۲/۹ev گسترده شده است و مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی دارای انرژی اختلاف باندی در حدود ۱ تا ۱٫۶ الكترون ولت هستند و ۵۵ درصد نور خورشید نمی تواند در این سلول مورد استفاده قرار گیرد. این دو اثر به تنهایی باعث اتلاف حدود ۷۰ درصد انرژی تشعشعی برخوردی به سلول می شود.
سؤالی که مطرح می شود این است که آیا می توان ماده ای با انرژی اختلاف باند بسیار کم انتخاب کرد به طوری که بتوان از انرژی اکثر فوتونها استفاده کرد؟ متأسفانه یا خوشبختانه اختلاف باند علاوه بر تعیین جریان، تعیین کننده ولتاژ حوزه الکتریکی نیز می باشد و اگر مقدار آن خیلی کم باشد جریان به دلیل جذب فوتون های بیشتر بالاتر خواهد بود ولی مقدار ولتاژ کاهش می یابد. بنابراین به آن اندازه که جریان بالاتر می رود ولتاژ کم می شود و می دانیم توان حاصل ضرب ولتاژ در جریان است. اختلاف باند بهینه که باعث تعادل این دو پارامتر و ماکزیمم شدن توان می شود حدودأ ev۱/۴ می باشد برای سلولی که از یک ماده ساخته شده است. این مقدار مربوط به ماده گالیوم آرسناید میباشد. در ادامه اطلاعات مربوط به مواد مختلف آمده است. سلولهای کریستالی سیلیکونی دارای اختلاف باندی حدود ۱/۱ الكترون ولت هستند.
افتهای دیگری هم وجود دارند، الکترون باید توسط یک مدار خارجی از یک طرف سلول به طرف دیگر برود. می توان سلول را توسط یک فلز که رسانای خوبی باشد، پوشاند ولی اگر روی سلول را به طور کامل بپوشانيم فوتونها نمی توانند از سطح تیره و مات رسانا عبور کنند و در این حالت به طور کلی جریان نخواهیم داشت چون نوری به سلول نمی رسد. در بعضی از سلولها از رساناهای شفاف TCO) برای سطح سلول استفاده میشود که قیمت این رساناها هنوز بالا می باشد، مانند SnO۲ اکسید قلع). اگر اتصالات را فقط در گوشه ها و لبه های سلول قرار دهیم الکترونها باید مسیر بسیار طولانی را بپیمایند تا به اتصالات برسند و این در حالی است که سیلیکون فقط یک نیمه رسانا می باشد و مانند فلزات برای انتقال جریان مناسب نیست. مقاومت داخلی سیلیکون که به آن مقاومت سری گفته می شود نسبتا بالا است و مقاومت بالا به معنای اتلاف بیشتر است. برای مینیمم کردن این اتلافها یک شبکه اتصال فلزی روی سلول خورشیدی قرار داده می شود تا فاصله ای که الکترونها باید بپیمایند کوتاه تر می شود در حالی که پوشش مورد نظر همه سطح سلول را نمی پوشاند و فقط قسمت کم آن را در بر می گیرد. با این وجود باز هم تعدادی از فوتونها به وسیله شبکه متوقف می شوند. شبکه نمی تواند بسیار کوچک و باریک باشد چون در این صورت مقاومت خود شبکه بسیار بالا خواهد بود و باعث اتلاف می شود.
لایه رسانای پایینی معمولا از آلومینیم یا مولیبدینیم ساخته می شود. شبکه فلزی باید از ماده ای با رسانایی بالا ساخته شده و به اندازه کافی ضخیم باشد تا جریان را هدایت کند (البته با مقاومت پایین) در عین حال ضخامت آن باید به اندازه ای باشد که از ورود نور جلوگیری نکند. این شبکه ها معمولا حدود ۳ تا ۵ درصد سطح را می پوشانند. جنس شبکه فلزی می تواند از آلیاژهای نقره مانند Ti – Ag باشد.