سلول های خورشیدی- مقدمه ای بر خواص اساسی نیمه رساناها 1

رشد مصرف جهانی انرژی در قرن اخیر و همراه با آن افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای، با آلودگی بیش از پیش محیط زیست و خسارات جبران‌ناپذیر برای منابع حیاتی همراه بوده است. به منظور کاهش اتکا جهانی به منابع طبیعی پایان‌پذیر و سوخت‌های مخرب محیط زیست، تلاش‌های علمی فراوانی برای کاهش هزینه‌های تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر صورت گرفته است. از جمله، تلاش برای تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید، که با استفاده از خاصیت ذاتی نیمه رساناها انجام شده است. نخستین سلول‌های خورشیدی بر پایه نیمه‌رساناها، که بازده آن‌ها به بیش از %10 می‌رسید در سال‌های 1960-1950 ساخته شدند. هم اکنون %90-85 قطعات فوتوولتایی خورشیدی در سراسر جهان بر پایه قرص‌های نازک بلوری سیلیکون ساخته می‌شوند. امروزه استفاده از نیمه‌رساناها تحول عظیمی در صنایع اپتیکی و الکترونیکی بوجود آورده است. بررسی خواص اساسی نیمه‌رساناها مانند ساختار نواری و نیز توضیح پدیده‌هایی مانند اثر فوتوولتایی از اهداف این مقاله است.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه:

1-1- طیف خورشید و فوتون‌ها (Photons)
2- خواص اساسی نیمه‌رساناها
1-2- ساختار نواری
2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمه‌رساناها
3-2-انتقال حامل در نیمه‌رسانا
1-3-2- تحرک (Mobility)
4-2- اثر فوتوولتایی
5-2- بازترکیب (Recombination)
3- بحث و نتیجه‌گیری

 

1- مقدمه:

امروزه رشد اقتصادی کشورها وابسته به تأمین منابع انرژی است. در بیشتر کشورها این منابع شامل زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و همچنین انرژی هسته‌ای می‌باشد. با این وجود، استفاده از این منابع با چالش‌های مختلفی رو‌به‌رو است، از جمله پایان‌پذیر بودن منابع سوخت‌های فسیلی. بین سال‌های 2004 تا 2030 میلادی، مصرف جهانی انرژی، سالانه با رشدی بیش از ٪50 تخمین زده می‌شود. افزایشی به همین نسبت در انتشار CO₂ (یک گاز گلخانه‌ای شاخص) حاصل از سوخت‌های فسیلی احتراقی، پیش‌بینی می‌شود. به منظور کم کردن اتکا جهانی به منابع طبیعی پایان‌پذیر و سوخت‌های مخرب محیط زیست، تلاش‌های علمی فراوانی برای کاهش هزینه‌های تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر، از قبیل: انرژی خورشیدی، آب، باد و غیره، صورت گرفته است. از آنجا که مجموعه بزرگی از پدیده‌های حالت جامد، شامل تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر هستند، مطالعه تبدیل انرژی در مواد، با استفاده از قطعات حالت جامد، زمینه‌ای گسترده برای پیشرفت تکنولوژی انرژی‌های تجدیدپذیر، خواهد بود [1]. بسیاری از نیمه‌رساناها می‌توانند الکتریسیته را از نور خورشید تولید کنند. سلول‌های فوتوولتایی، که اغلب سلول‌های خورشیدی نامیده می‌شوند، از جمله قطعات حالت جامد هستند که بر اساس تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته، کار می‌کنند. از مزایای این روش تبدیل انرژی این است که، مواد غیر دوستدار محیط زیست تولید نمی‌کند و منبع نامحدودی از انرژی در اختیار ما قرار می‌دهد [2]. متداول‌ترین و بهترین سلول‌های خورشیدی توسعه یافته، از سیلیکون ساخته می‌شوند. از آنجا که سیلیکون %27.7 پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، به نظر می‌رسد سلول‌های خورشیدی سیلیکونی به طور بالقوه ارزان باشند، اما تبدیل سیلیکون به سلول خورشیدی، فرآیندی پرهزینه است که به الکتریسیته قابل توجهی نیاز دارد [3].

1-1- طیف خورشید و فوتون‌ها (Photons)
سؤال این است که نور خورشید چگونه توصیف می‌شود؟ مشاهده رنگ‌های طیف نشان می‌دهد که نور خورشید می‌تواند به رنگ‌های مختلفی تقسیم شود. همچنین، استفاده از خطوط موازی بسیار نزدیک، به عنوان توری پراش، نشان می‌دهد که رنگ‌ها می‌توانند با فاصله خطوط مرتبط باشند. بدین معنی که طول موجی مربوط به هر رنگ وجود دارد. از این‌رو نور یک موج الکترومغناطیسی است و می‌توان یک طول موج به آن نسبت داد. از سوی دیگر، با مشاهده پدیده‌هایی چون اثر فوتوالکتریک انشتین توضیح داد که نور به صورت بسته‌های کوچک انرژی حرکت می‌کند، که مانند ذره رفتار می‌کنند و فوتون نامیده می‌شوند. در شکل (1) طیف خورشیدی نشان داده شده است [4].
در یک سلول خورشیدی، نیروی الکتریکی در نتیجه جذب فوتون، تولید جفت‌های الکترون- حفره (Electron-hole) و عبور آن‌ها از یک ولتاژ، بوجود می‌آید. نیمه‌رساناها به طور ذاتی، یک انرژی جذب آستانه دارند که با آن ولتاژی که الکترون در نیمه‌رسانا می‌بیند، تعیین می‌شود. انرژی‌های فوتونی و جذب آستانه با واحد الکترون‌ولت داده‌ می‌شود. برای مثال در شکل (1) انرژی آستانه جذب برای سیلیکون 1.1eV است که مساوی با 1.1 میکرون می‌باشد. فوتون‌هایی با انرژی کمتر از 1.1eV  جذب نمی‌شوند و انرژی خورشید با طول موج بزرگ‌تر از 1.1 میکرون تلف می‌شود.
 

شکل1- طیف خورشید در 1.5AM، ناحیه خاکستری انرژی فوتونی قابل استفاده برای سلول خورشیدی سیلیکونی است [4]. 
 

2- خواص اساسی نیمه‌رساناها
برای وارد شدن به بحث سلول‌های خورشیدی، درک برخی مفاهیم و خواص اساسی نیمه‌رساناها از اهمیت برخوردار است.

1-2- ساختار نواری
الکترون‌های یک اتم منزوی، ترازهای انرژی مجزایی دارند. هنگامی که اتم‌ها، برای تشکیل بلور، به‌هم نزدیک می‌گردند، بایستی ترازهای انرژی از هم شکافته باشند، اما به دلیل برهم‌کنش اتمی، ترازها بسیار نزدیک به‌هم قرار می‌گیرند، که منجر به یک نوار پیوسته انرژی می‌شود [5]. دو نوار متمایز انرژی در نیمه‌رساناها وجود دارد. در دمای صفر کلوین، نوار پایین‌تر، که نوار ظرفیت نامیده می‌شود، پر از الکترون است (در دماهای متناهی این نوار می‌تواند با جابه‌جایی حالت‌های تهی، رسانایی را موجب شود). بار الکتریکی در یک جامد مانند یک سیال است و حالت‌های تهی مانند حباب در سیال رفتار می‌کنند، از این‌رو حفره نامیده می‌شوند. در نیمه‌رساناها نوار بالایی، تقریباً خالی از الکترون است و در بردارنده حالت‌های الکترونی برانگیخته است (الکترون‌ها از پیوند کووالانسی جای‌گزیده، به حالت‌های گسترده در بدنه بلور می‌روند). چنین الکترون‌هایی، با به کارگیری یک میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند و در شار جریان شرکت می‌کنند، بدین جهت این نوار، نوار رسانش نامیده می‌شود. اختلاف انرژی دو نوار، گاف نواری نامیده می‌شود که ناحیه ممنوع انرژی است [6-5].

2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمه‌رساناها
می‌توان نمودار نوار انرژی الکترون در مقابل اندازه حرکت را رسم کرد. مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، نسبت به هم، به دو صورت واقع می‌شوند. در حالت اول مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 2a، در اندازه حرکت یکسانی قرار می گیرند و وقتی الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش جهش می‌کند، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود نمی‌آید. گالیم آرسنید و اکسید روی مثال‌هایی از این مورد هستند. چنین موادی نیمه‌رسانای مستقیم نامیده می‌شوند. در مقابل ممکن است، مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 2b در اندازه حرکت یکسان قرار نگیرند. بنابراین برانگیختگی یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، نه تنها نیاز به صرف انرژی زیادی دارد، بلکه، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود خواهد آورد. با چنین موقعیتی در سیلیکون روبه‌رو هستیم. این مواد را نیمه‌رساناهای غیرمستقیم می‌نامیم [6] (شکل 2).
 

شکل2- نمودار نوار انرژی الکترون بر حسب اندازه حرکت برای نیمه‌رسانای a) مستقیم و b) غیرمستقیم [7].
 

در نیمه‌رساناهای مستقیم، یک فوتون با انرژی E_g=hν ، می‌تواند یک الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته کند (عبور مستقیم). اما در نیمه‌رساناهای غیرمستقیم، این نوع عبور، امکان‌پذیر نمی‌باشد. به دلیل آن‌که فوتون‌ها اندازه حرکت بسیار کوچکی دارند، در حالی‌که الکترون باید دستخوش تغییر بزرگی در اندازه حرکت شود. در این موارد، عبور الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، می‌تواند با اتلاف یک فونون شبکه (انرژی گرمایی) رخ دهد، در این صورت اندازه حرکت مورد نیاز، تأمین می‌شود (عبور غیرمستقیم؛ به دلیل برهم‌کنش بین اتم‌ها، یک جامد مدهای ارتعاشی دارد. کوانتوم انرژی ارتعاشی، فونون نامیده می‌شود، در برهم کنش فونون- الکترون انرژی و اندازه حرکت پایسته می‌مانند). البته عبورهای مستقیم نیز امکان‌پذیر هستند، اما یک انرژی فوتونی مینیمم برای برانگیخته کردن الکترون مورد نیاز است که بزرگتر از گاف انرژی باشد [8-7].

3-2-انتقال حامل در نیمه‌رسانا
1-3-2- تحرک (Mobility): در یک نیمه‌رسانا، الکترون‌ها، بوسیله انرژی گرمایی، به صورت تصادفی در همه جهات، حرکت می‌کنند. پس از طی مسافت کوتاهی، الکترون‌ها به یک اتم شبکه یا یک اتم ناخالصی و یا یک مرکز پراکندگی دیگر برخورد می‌کنند. این فرآیند پراکندگی موجب می‌شود الکترون مقداری از انرژی خود را از دست بدهد. متوسط زمان بین برخوردها، زمان آزاد میانگین، τ_c ، نامیده می‌شود. هنگامی که میدان الکتریکی کوچکی، E، بر نیمه‌رسانا اعمال شود، نیروی qE-، به الکترون‌ها وارد می‌شود و به آنها شتابی در خلاف جهت میدان می‌دهد (q واحد بار الکتریکی است). مؤلفه حرکت تولید شده بوسیله میدان الکتریکی، سرعت سوق، ν_n ، نامیده می‌شود. تغییر اندازه حرکت الکترون در یک زمان آزاد میانگین، با رابطه زیر داده می‌شود [5]:


 
 μ_n تحرک الکترون نامیده می‌شود و هم‌ارز با آن μ_p، تحرک حفره است. هنگامی‌که میدان الکتریکی به یک نیمه‌رسانا اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها، برای کاهش انرژی پتانسیل، جریان پیدا می‌کنند. هنگامی که نیمه‌رسانای نوع n با مساحت سطح مقطع A در میدان الکتریکی واقع شود و جریان الکترون، I_n باشد، چگالی جریان الکترونی با رابطه زیر داده می‌شود [5]:


 
به همین ترتیب چگالی جریان حفره، J_p ، تعریف می‌شود. چگالی جریان نهایی، ناشی از میدان الکتریکی، که از جمع چگالی جریان الکترون‌ها و حفره‌ها حاصل می‌شود، جریان سوق (Drift current) نام دارد:


σ رسانایی نامیده می‌شود. باید توجه داشت که اگرچه الکترون‌ها و حفره‌ها در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند، اما با توجه به اینکه علامت آنها نیز مخالف هم است جهت جریان ناشی از آنها یکسان است. هنگامی‌که یک تغییر فضایی در تراکم الکترون‌ها در نیمه‌رسانا بوجود می‌آید، الکترون‌ها از ناحیه با تراکم بالا به سمت تراکم کمتر جریان پیدا می‌کنند. این جریان، جریان پخش (Diffusion Current) نام دارد. با فرض یک بعدی بودن، الکترون‌ها از راست به چپ جریان پیدا می‌کنند و آهنگ چگالی جریان الکترونی بر مساحت واحد به صورت زیر داده می‌شود [5]:


Dn ضریب پخش الکترونی است و با رابطه انشتین (Einstein) داده می‌شود (Dn=(kT/q)μ_n) و dn/dx گرادیان تراکم الکترون‌ها در یک بعد است. بنابراین چگالی جریان پخش الکترون از رابطه زیر بدست می‌آید [5]:


 
جریان پخش حفره‌ها ((J_p=qD_n(dn/dx) نیز، به همین صورت تعریف می‌شود [8 و5].

4-2- اثر فوتوولتایی:
پدیده تبدیل پرتو نوری به انرژی الکتریکی، اثر فوتوولتایی، PV، نامیده می‌شود. دو قطعه مهم که بر اساس اثر فوتوولتایی کار می‌کنند، سلول خورشیدی و آشکارساز نوری می‌باشند. هنگامی‌که یک فوتون با انرژی hν (ثابت پلانک h و فرکانس نور ν است) که بزرگتر یا مساوی با گاف نواری E_g است، با یک نیمه‌رسانا برخورد می‌کند، جذب نور و در نتیجه تولید یک جفت الکترون-حفره (EHP) می‌تواند رخ دهد (شکل3). به‌عبارت دیگر، به منظور تولید جفت‌ها در یک نیمه‌رسانای خاص، طول موج تابش برخوردی، باید کمتر از یک مقدار ویژه به نام طول موج قطع (Cutoff wavelength) یا λ_c ، برای آن ماده باشد. همچنین، توانایی مواد برای جذب نور، به پارامتر دیگری به نام ضریب جذب (Absorption coefficient) یا α  وابسته است. α واحد عکس طول دارد، به طوری که ^1-α طول جذب مؤثر، نامیده می‌شود و اندازه‌ای از ضخامت ماده است که در آن فوتون برخوردی بوسیله نیمه‌رسانا جذب می‌شود. در واقع کسری از تابش برخوردی که در فاصله x از سطح جذب می‌شوند، با [1+(exp(-αx-] داده می‌شود. اگر α بزرگتر شود، مقدار بیشتری از تابش برخوردی در فاصله x جذب می‌شود. برای نیمه‌ رساناهای با گاف نواری غیرمستقیم، مقدارα، در یک انرژی فوتونی خاص (معمولاً برای مواد با E_g بزرگتر)، کمتر از نیمه‌رساناهایی با گاف نواری مستقیم است. این نشان می‌دهد، در یک انرژی فوتونی داده شده، برای جذب نور لایه نازک‌تری از نیمه‌رسانای مستقیم، مانند ZnO ، نسبت به نیمه‌رسانای غیرمستقیم، مانند Si لازم است [8 و6-5].
 

شکل3- جذب اپتیکی در نیمه‌رسانا [5].
 

5-2- بازترکیب (Recombination):
هنگامی‌که نیمه‌رسانا در معرض منبع نور قرار می‌گیرد با تولید جفت الکترون-حفره، خاصیت رسانایی آن افزایش می‌یابد. این پدیده اثر فوتورسانایی (Photoconductive Effect) نامیده می‌شود. حامل‌های بار اضافی تولید شده در نیمه‌‌رسانا، پس از خاموش شدن منبع نور، نابود می‌شوند. این فرآیند بازترکیب نامیده می‌شود. در جامدات حجیم، پدیده بازترکیب به صورت بازترکیب مستقیم، غیرمستقیم (از طریق ترازهای انرژی جای‌گزیده در گاف انرژی ممنوع) و بازترکیب اوژه (Photoconductive Effect) انجام می‌شود. بازترکیب مستقیم معمولاً در نیمه‌رسانای مستقیم غالب است [5]. در یک نیمه‌رسانای مستقیم، هنگامی که یک الکترون از نوار رسانش سقوط می‌کند تا یک جای خالی در نوار ظرفیت را پر کند، انرژی به صورت یک فوتون نوری باز پس داده می‌شود. در حالی‌که در مورد نیمه‌رسانای غیرمستقیم، این نوع عبور، علاوه بر تغییر در انرژی، شامل تغییری در اندازه حرکت می‌باشد و اختلاف انرژی، به جای یک فوتون نوری، معمولاً به صورت گرما به شبکه بلوری داده می‌شود. بنابراین قطعات گسیل نوری عموماً از نیمه‌رساناهای مستقیم ساخته می‌شوند [7]. همچنین، بازترکیب اوژه هنگامی رخ می‌دهد که یک الکترون انرژی اضافی خود را به الکترونی دیگر در نوار رسانش یا ظرفیت می‌دهد که منجر به برانگیخته شدن الکترون به سطح بالاتری از انرژی می‌شود. فرآیند اوژه هنگامی‌که تراکم حامل زیاد باشد، اهمیت پیدا می‌کند؛ بویژه در نیمه‌رساناهایی با گاف نواری کوچک [5].

3- بحث و نتیجه‌گیری:
انرژی خورشیدی از جمله منابع تجدیدپذیر انرژی است که در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی مؤثر خواهد بود. شناخت نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی نیازمند درک اصول حاکم بر رفتار نیمه‌رساناها می‌باشد. دو نوار متمایز انرژی الکترونی (نوار رسانش و نوار ظرفیت) و تحرک الکترون‌ها بین آن‌ها، منشأ بسیاری از خواص نیمه‌رساناها می‌باشد. هنگامی که نیمه‌رسانا در معرض نور قرار می‌گیرد، حامل‌های بار اضافی در آن تولید می‌شود. بازده یک سلول وابسته به تولید و جدایی حامل‎های بار است. از این‌رو، شناخت عوامل مؤثر در تولید، تفکیک و نیز بازترکیب حامل‌ها حائز اهمیت است.
 

---

منابـــع و مراجــــع

---

۱ - Hochbaum, I.Allon, Yang, Peidong, “Semiconductor Nanowires for Energy Con” Chem. Rev. 2010, 110, 527–546, (2010).

۲ - Wang, Yanqi, “Arrays of ZnO Nanowire for Photovoltaic Devices”, Dessertation Submitted for PhD Degree, City University of Hong Cong, (2009).

۳ - Mims III, Forrest M., “Solar Cell Projects”, Radio Shack Engineer’s Mini Notebook, First Printing, USA, (1999).

۴ - Fraas, Lewis, Partain, Larry, “Solar CellsTheir Applications”, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., (2010).

۵ - Soga, T., (editor), “Nanostructured Materials for Solar Energy Con” (Fundamentals of Solar Cell), Elsevier, (2006).

۶ - Dasgupta, N., Dasgupta A., “Semiconductor Devices, ModellingTechnology”, Prentic Hall of India, New Delhi, (2007).

۷ - Wurfel, Peter, “Physics of Solar Cell Prenciples to New Concepts”, John Wiley & Sons, Inc., (2005).

۸ - Fonash, J. Stephen, “Solar Cell Device Physics”, Second Edition, USA, Elsevier Inc., (2010).