فوتووتائیک چیست؟

نمودار بالا عملکرد یک سلول فتوولتائیک پایه که سلول خورشیدی نیز نامیده می شود را نشان می دهد. سلول های خورشیدی از همان نوع مواد نیمه هادی مانند سیلیکون ساخته شده اند که در صنعت میکروالکترونیک استفاده می شود. برای سلول های خورشیدی، یک ویفر نیمه هادی نازک به طور ویژه پردازش می شود تا یک میدان الکتریکی ایجاد کند که از یک طرف مثبت و از طرف دیگر منفی است. هنگامی که انرژی نور به سلول خورشیدی برخورد می کند، الکترون ها از اتم های موجود در مواد نیمه هادی جدا می شوند. اگر هادی های الکتریکی به دو طرف مثبت و منفی متصل شوند و یک مدار الکتریکی را تشکیل دهند، الکترون ها را می توان به شکل یک جریان الکتریکی گرفت - یعنی الکتریسیته. سپس از این الکتریسیته می توان برای تامین انرژی یک بار مانند چراغ یا ابزار استفاده کرد.

تعدادی از سلول های خورشیدی که به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل شده و در یک سازه یا قاب پشتیبانی نصب شده اند، ماژول فتوولتائیک نامیده می شود. ماژول ها برای تامین برق در یک ولتاژ مشخص، مانند یک سیستم معمولی 12 ولت طراحی شده اند. جریان تولید شده مستقیماً به میزان نوری که به ماژول برخورد می کند بستگی دارد.

رایج‌ترین دستگاه‌های PV امروزی از یک اتصال یا رابط برای ایجاد یک میدان الکتریکی در یک نیمه‌رسانا مانند سلول PV استفاده می‌کنند. در یک سلول PV تک پیوندی، فقط فوتون هایی که انرژی آنها برابر یا بیشتر از شکاف باند ماده سلول است، می توانند یک الکترون را برای یک مدار الکتریکی آزاد کنند. به عبارت دیگر، پاسخ فتوولتائیک سلول‌های تک پیوندی محدود به بخشی از طیف خورشید است که انرژی آن بالاتر از فاصله نواری ماده جاذب است و از فوتون‌های با انرژی پایین‌تر استفاده نمی‌شود.

یکی از راه‌های دور زدن این محدودیت، استفاده از دو (یا چند) سلول مختلف، با بیش از یک شکاف باند و بیش از یک اتصال، برای تولید ولتاژ است. این سلول‌ها به عنوان سلول‌های «چند پیوند» (همچنین سلول‌های «آبشار» یا «پشت سر هم» نامیده می‌شوند). دستگاه های چند اتصالی می توانند بازده تبدیل کل بالاتری را به دست آورند زیرا می توانند طیف انرژی بیشتری از نور را به الکتریسیته تبدیل کنند.

همانطور که در زیر نشان داده شده است، یک دستگاه چند اتصالی پشته ای از سلول های تک پیوندی منفرد به ترتیب نزولی شکاف باند (به عنوان مثال) است. سلول بالایی فوتون‌های پرانرژی را می‌گیرد و بقیه فوتون‌ها را برای جذب توسط سلول‌های باند باند پایین‌تر عبور می‌دهد.