فتوولتاییک

فتوولتاییک (به انگلیسی: Photovoltaics)‏ یا به اختصار PV، یکی از انواع سامانه‌های تولید برق از انرژی خورشیدی می‌باشد. در این روش با بکارگیری سلول‌های خورشیدی، تولید مستقیم الکتریسیته از تابش خورشید امکان پذیر می‌شود. سلول‌های خورشیدی از نوع نیمه رسانا می‌باشند که از سیلیسیوم یعنی دومین عنصر فراوان پوسته زمین ساخته می‌شوند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتاییک می‌تابد، بین دو الکترود منفی و مثبت اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می‌گردد. می‌توان فتوولتایک را در دسته فناوری‌های انرژی‌های تجدید پذیر (نوشو) قرار داد.

Solar Resource Map of Africa and Middle East

انرژی خورشیدی

مقدار انرژی تابشی خورشید بر روی کره زمین ۶۰۰۰ برابر کل مصرف انرژی‌های سالیانه بر روی زمین است که این مطلب نشان دهنده اهمیت توجه به این منبع در تامین نیازهای روزمره بشر است. اگر تا به حال انرژی خورشیدی رقیبی جدی برای سوخت‌های فسیلی محسوب نمی‌شده است، به دلیل پایین بودن تاریخی قیمت سوخت‌های فسیلی بوده است. اگر چه هنوز هم فناوری استفاده از انرژی خورشیدی به بلوغ خود نرسیده است، اما رسیدن به این تکامل نزدیک است. بسیاری از کشورهای جهان در تلاشند تا با جایگزینی انرژی خورشیدی در تولید حرارت و الکتریسیته حداکثر استفاده از این منبع انرژی را به دست آورده و زیان‌های ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند.

تاریخچه فتوولتاییک

عبارت فتوولتاییک "Photovoltaic" تـرکـیـبی از کلمه یونانـی "Photos" به معـنی نـور با "Volt" به معنای تولید الکتریسیته از نور است. کشف پدیده فتوولتاییک به فیزیکدان فرانسوی Edmond Becquerel نسبت داده می‌شود که در سال ۱۸۳۹ با چاپ مقاله‌ای (Becquerel، ۱۸۳۹) تجربیات خود را با باتری‌تر (Wet Cell) ارائه نمود. او مشاهده نمود که ولتاژ باتری وقتی که صفحات نقره‌ای آن تحت تابش نور خورشید قرار می‌گیرند، افزایش می‌یابد.

اما اولین گزارش از پدیده PV در یک ماده جامد در سال ۱۸۷۷ بود وقتیکه دو دانشمند کمبریج R.E. Day و W.G.Adams در مقاله‌ای به انجمن سلطنتی تغییراتی که در خواص الکتریکی سلنیوم وقتی که تحت تابش نور قرار می‌گیرد را، توضیح دادند (Adams and Day، ۱۸۷۷).

در سـال ۱۸۸۳ Charles Edgar Fritts که یک مهندس برق اهل نیویورک بود، یک سلول خـورشـیدی سلنیومی ساخت که از برخـی جهات شـبـیه به سـلـولـهای خورشـیـدی سیلیکونی امروزی بود. این ســلـول از یک ویـفـر نازک سـلنیوم تشـکیـل شده بـود که با یک تـوری از سـیـمـهـای خیـلی نازک طـلا و یک ورق حفاظـتی از شـیشه پوشانده شده بود. اما سـلول سـاخت او خـیلی کم بازده بود. بازده یک سـلول خورشیدی عبارت از درصدی از انرژی خورشیدی تابیده به سطح آن می‌باشد که به انرژی الکتریکی تبدیل شده باشد. کمتر از ٪۱ انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح این سلول ابتدایی به الکتریسیته تبدیل می‌شد. با وجود این، سلول‌های سلنیومی سرانجام در نورسنج‌های عکاسی به طور وسیعی بکار گرفته شد.

سلول‌های خورشیدی (فتوولتاییک)

یک سلول خورشیدی

عنصر اصلی فناوری فتوولتاییک، سلول خورشیدی است. سلول‌های فتوولتاییک (PV) که عموم آن را با نام سلول‌های خورشیدی می‌شناسند، از مواد نیمه رسانای حالت جامد تشکیل شده‌اند. سیلیکون، عمومی‌ترین ماده نیمه رسانا است که به واسطهٔ فراوانی آن در سلول‌های PV مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر چه سلیکون عنصر فراوانی است و درصد زیادی از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، ولی سلول‌های سیلیکونی به خاطر فرآیند ساخت و خالص سازی سیلیکون، قیمت بالایی دارند.

فناوری‌های مختلف سلول‌های خورشیدی

سیستم‌های فتوولتاییک که در حال حاضر به صورت صنعتی تولید می‌شوند، از نظر فناوری به دو دسته کلی سیلیکون کریستالی به عنوان فناوری نسل اول و فیلم-نازک به عنوان فناوری نسل دوم دسته‌بندی می‌گردد. سلول‌های سیلیکون کریستالی به انواع مونوکریستالی، پلی‌کریستالی و کریستال نواری تقسیم می‌گردد. فناوری‌های کلیدی و مهم فیلم-نازک را نیز می‌توان شامل سیلیکون آمورف (a-Si)، میکروکریستالی، CIGS/CIS و CdTe دانست. نسل سوم سلول‌های فتوولتاییک نیز که بیشتر در سطح آزمایشگاهی تولید می‌شوند و مراکز پژوهشی در حال توسعه آن‌ها می‌باشند، به سلول‌هایی اطلاق می‌شود که توانایی عبور از حد Shockley-Queisser را دارند یعنی دارای بازده نامی بالاتر از ۳۲٪ می‌باشند. از انواع این سلول‌ها می‌توان به نانوسازه‌های سیلیکونی، مبدل‌های Up/Down، سلول‌هایHot Carrier و سلول‌های ترموالکتریک یا Hot Lattice اشاره کرد.

تولید سلول‌های خورشیدی در جهان

بازار جهانی تولید سلول‌های PV با رشد چشمگیری در حال پیشرفت است. این رشد از سال ۲۰۰۳ در حدود ۵۰٪ در سال بوده است. در سال ۲۰۰۶ ظرفیت تولید سلول‌های فتوولتاییک در سطح جهان به ۲،۵۲۰ مگاوات رسید. در این سال سهم سلول‌های فتووولتاییک کریستالی بیش از ۹۰٪ و سهم سلول‌های PV فیلم-نازک در حدود ۸٪ بوده است. با توجه به رشد سریعتر تولید سلول‌های PV فیلم-نازک (سالامه در حدود ۸۰٪) پیش بینی می‌گردد تا سال ۲۰۱۰ رقم سهم این سلول‌ها به ۲۵٪ تا ۳۰٪ برسد.

رقم تولید سلول‌های فتوولتاییک در سال ۲۰۰۷ به بیش از ۳٫۴ گیگاوات رسیده است. در این بین شرکت‌های ژاپنی که با روند رو به کاهش سهم خود از تولید سلول‌های فتوولتاییک در جهان مواجه هستند، در حدود ۲۶٪ بازار را در اختیار داشته‌اند. شرکت‌های چینی ولی با رشد خیره کننده از سهم ۲۰٪ در سال ۲۰۰۶ به ۳۵٪ در سال ۲۰۰۷ دست یافته‌اند.

نصب سلول‌های خورشیدی در جهان

ظرفیت نصب شده فتوولتاییک در جهان به سرعت در حال رشد است. این رقم در پایان سال ۲۰۱۱ به بیش از ۶۷٫۴ گیگاوات برابر با ۰٫۵% تقاضای جهانی انرژی برق رسیده است. از این مقدار، رقم ۲۷٫۷ گیگاوات به تنهایی در سال ۲۰۱۱ نصب شده است که رشدی ۶۷ درصدی را نسبت به سال ۲۰۱۰ نشان می‌دهد. در این بین، کشور آلمان به تنهایی با در دست داشتن ۳۷٪ ظرفیت نصب شده جهان به رقم ۲۴٫۷ گیگاوات در پایان سال ۲۰۱۱ رسیده است.

سال میلادی	ظرفیت نصب شده (گیگاوات)
۲۰۰۵	۵٫۴
۲۰۰۶	۷٫۰
۲۰۰۷	۹٫۴
۲۰۰۸	۱۵٫۷
۲۰۰۹	۲۲٫۹
۲۰۱۰	۳۹٫۷
۲۰۱۱	۶۷٫۴

منابع

1. European Photovoltaic Industry Association (2012). "Market Report 2011"
2. http://www.solarbuzz.com/Marketbuzz2008-intro.htm
3. http://www.iea-pvps.org/products/download/rep_ar06.pdf