فیزیک سلول‌های خورشیدی

این کتاب مفهومی بنیادی از عملکرد سلولهای خورشیدی ارائه می‌کند. بحث در زمینۀ اصول آن تا حد امکان کلی است تا پایه‌ای برای فناوری حاضر و توسعه آن در آینده فراهم کند. تبدیل انرژی در سلولهای خورشیدی شامل دو مرحله است. مرحلۀ اول جذب تابش خورشیدی و تولید انرژی شیمیایی است. این مرحله در هر نیمرسانایی اتفاق می‌افتد. مرحلۀ دوم تبدیل به انرژی الکتریکی از طریق تولید جریان و ولتاژ است. این مرحله مستلزم ساختارها و نیروهایی برای به حرکت درآوردن الكترونها و حفره‌های تولیدشده بر اثر تابش فرودی در سلول خورشیدی، به شکل جریان الکتریکی است. این نیروها و ساختارها که انتقال جهت‌دار بار را ممکن می‌سازند به تفصیل بررسی شده‌اند. در این فرایند نشان داده می‌شود که میدان الکتریکی حاضر در پیوند pn در تاریکی که معمولاً به‌صورت پیش‌نیاز عملکرد سلول خورشیدی مطرح می‌شود، در واقع پدیده‌ای است مرتبط با ساختار که بنا به دلایل دیگر لازم است و ویژگی ضروری سلول خورشیدی نیست. ساختار سلول خورشیدی را جاذب نیمرسانایی که در آن گرمای خورشید به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود و در غشای نیمه تراوا که یکی پایانه‌ای برای عبور الکترونها و مسدود کردن حفره‌ها و دیگری پایانه‌ای برای عبور حفره‌ها و مسدود کردن الکترونهاست، بهتر نشان می‌دهد. در این کتاب تلاش می‌شود تا اصول اساسی و فیزیکی عملکرد سلول خورشیدی به‌طوری قابل فهم و تا حد ممکن کامل توسعه یابد. بجز در مواردی اندک تمام روابط فیزیکی اثبات و با مثالهایی شرح داده شده‌اند. این کار برای غیر فیزیکدانها زمینه‌ای برای فهم کامل موضوع ایجاد می‌کند. در اینجا بیشتر بر رویکرد ترمودینامیکی تأکید شده، که به میزان زیادی از ساختار سلولهای خورشیدی موجود مستقل است که تعیین کلی محدودیتهای بازده تبدیل تابش گرمایی خورشید به انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازد، همچنین پتانسیلها و موانع موجود در بهبود سلولهای خورشیدی امروزی را نشان می‌دهد. در ادامه، راهی را که اولین بار شاکلی و کویزر1 در پیش گرفتند ادامه داده خواهد شد. این کتاب نتیجۀ مجموعه‌ای از مباحث تدریس شده در زمینۀ فیزیک سلولهای خورشیدی است. موضوعات ارائه‌شده در اینجا که با رفتار معمول سلولهای خورشیدی متکی بر میدان الکتریکی برای نیروی محرکه متفاوت است، نتیجۀ همکاری چندین‌ساله با استاد راپل2 است. از بعضی جنبه‌ها این کتاب نسبت به فیزیک نیمرسانا و به‌ویژه فیزیک سلولهای خورشیدی مرسوم سخت‌گیرانه‌تر است. همان‌طور که پیداست کمیتهای فیزیکی مشابه، با نمادهای یکسان نمایش داده شده‌اند. چگالی جریان با j نشان داده شده است و کمیتی که با جریان انتقال می‌یابد با انديس آن، به صورت jQ برای چگالی جریان بار یا je برای چگالی جریان الکترونها ارائه شده است. با پیروی از این اصل، غلظت همۀ ذرات با نماد n نمایش داده می‌شود، به طوری که ne نشان‌دهندۀ غلظت الکترونها و nh نشان‌دهندۀ غلظت حفره‌ها و nγ حاکی از غلظت فوتونهاست. امیدوارم کسانی که n و p را برای غلظت الکترونها و حفره‌ها به کار می‌بردند در وفق‌دادن خود با این نمادهای منطقی دچار مشکل نشوند. نیروی محرک برای گذار از منابع انرژی پایان‌پذیر و استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر، که اکنون در حال انجهم است، تهی‌سازی این منابع نیست، اگرچه منابع نفت و گاز نیز تا بیشتر از صد سال دیگر دوام نمی‌آورند. اتمام منابع انرژی دردسر اصلی ما نیست زیرا این مسئله مدتها بعد از طول عمر خود ما رخ خواهد داد. مطمئنا اگر حیات ما تا ۵۰۰ سال دیگر ادامه می‌یافت و مجبور بودیم با پیامدهای مصرف کنونی انرژی خود روبه‌رو شویم بیشتر مراقب می‌بودیم. نیروی محرک برای گذار به انرژیهای تجدیدپذیر بیشتر اثر مخربی است که فراورده‌های جانبی استفاده از انرژیهای هسته‌ای و فسیلی بر محیط زیستمان دارند. چون این انگیزۀ مؤثرتری برای استفاده از انرژی خورشیدی است بحث با پیامدهای اقتصاد انرژی کنونی ما و تأثیر آن روی آب و هوا شروع شده است. پتانسیل اقتصادی انرژی خورشیدی برای رفع کامل این مسائل تلاش بسیار برای توسعه و بهبود فناوری فوتوولتایی را توجیه می‌کند، چیزی که این کتاب در تلاش است تا پایه‌گذار آن باشد.این کتاب مفهومی بنیادی از عملکرد سلولهای خورشیدی ارائه می‌کند. بحث در زمینۀ اصول آن تا حد امکان کلی است تا پایه‌ای برای فناوری حاضر و توسعه آن در آینده فراهم کند. تبدیل انرژی در سلولهای خورشیدی شامل دو مرحله است. مرحلۀ اول جذب تابش خورشیدی و تولید انرژی شیمیایی است. این مرحله در هر نیمرسانایی اتفاق می‌افتد. مرحلۀ دوم تبدیل به انرژی الکتریکی از طریق تولید جریان و ولتاژ است. این مرحله مستلزم ساختارها و نیروهایی برای به حرکت درآوردن الكترونها و حفره‌های تولیدشده بر اثر تابش فرودی در سلول خورشیدی، به شکل جریان الکتریکی است. این نیروها و ساختارها که انتقال جهت‌دار بار را ممکن می‌سازند به تفصیل بررسی شده‌اند. در این فرایند نشان داده می‌شود که میدان الکتریکی حاضر در پیوند pn در تاریکی که معمولاً به‌صورت پیش‌نیاز عملکرد سلول خورشیدی مطرح می‌شود، در واقع پدیده‌ای است مرتبط با ساختار که بنا به دلایل دیگر لازم است و ویژگی ضروری سلول خورشیدی نیست. ساختار سلول خورشیدی را جاذب نیمرسانایی که در آن گرمای خورشید به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود و در غشای نیمه تراوا که یکی پایانه‌ای برای عبور الکترونها و مسدود کردن حفره‌ها و دیگری پایانه‌ای برای عبور حفره‌ها و مسدود کردن الکترونهاست، بهتر نشان می‌دهد. در این کتاب تلاش می‌شود تا اصول اساسی و فیزیکی عملکرد سلول خورشیدی به‌طوری قابل فهم و تا حد ممکن کامل توسعه یابد. بجز در مواردی اندک تمام روابط فیزیکی اثبات و با مثالهایی شرح داده شده‌اند. این کار برای غیر فیزیکدانها زمینه‌ای برای فهم کامل موضوع ایجاد می‌کند. در اینجا بیشتر بر رویکرد ترمودینامیکی تأکید شده، که به میزان زیادی از ساختار سلولهای خورشیدی موجود مستقل است که تعیین کلی محدودیتهای بازده تبدیل تابش گرمایی خورشید به انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازد، همچنین پتانسیلها و موانع موجود در بهبود سلولهای خورشیدی امروزی را نشان می‌دهد. در ادامه، راهی را که اولین بار شاکلی و کویزر1 در پیش گرفتند ادامه داده خواهد شد. این کتاب نتیجۀ مجموعه‌ای از مباحث تدریس شده در زمینۀ فیزیک سلولهای خورشیدی است. موضوعات ارائه‌شده در اینجا که با رفتار معمول سلولهای خورشیدی متکی بر میدان الکتریکی برای نیروی محرکه متفاوت است، نتیجۀ همکاری چندین‌ساله با استاد راپل2 است. از بعضی جنبه‌ها این کتاب نسبت به فیزیک نیمرسانا و به‌ویژه فیزیک سلولهای خورشیدی مرسوم سخت‌گیرانه‌تر است. همان‌طور که پیداست کمیتهای فیزیکی مشابه، با نمادهای یکسان نمایش داده شده‌اند. چگالی جریان با j نشان داده شده است و کمیتی که با جریان انتقال می‌یابد با انديس آن، به صورت jQ برای چگالی جریان بار یا je برای چگالی جریان الکترونها ارائه شده است. با پیروی از این اصل، غلظت همۀ ذرات با نماد n نمایش داده می‌شود، به طوری که ne نشان‌دهندۀ غلظت الکترونها و nh نشان‌دهندۀ غلظت حفره‌ها و nγ حاکی از غلظت فوتونهاست. امیدوارم کسانی که n و p را برای غلظت الکترونها و حفره‌ها به کار می‌بردند در وفق‌دادن خود با این نمادهای منطقی دچار مشکل نشوند. نیروی محرک برای گذار از منابع انرژی پایان‌پذیر و استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر، که اکنون در حال انجهم است، تهی‌سازی این منابع نیست، اگرچه منابع نفت و گاز نیز تا بیشتر از صد سال دیگر دوام نمی‌آورند. اتمام منابع انرژی دردسر اصلی ما نیست زیرا این مسئله مدتها بعد از طول عمر خود ما رخ خواهد داد. مطمئنا اگر حیات ما تا ۵۰۰ سال دیگر ادامه می‌یافت و مجبور بودیم با پیامدهای مصرف کنونی انرژی خود روبه‌رو شویم بیشتر مراقب می‌بودیم. نیروی محرک برای گذار به انرژیهای تجدیدپذیر بیشتر اثر مخربی است که فراورده‌های جانبی استفاده از انرژیهای هسته‌ای و فسیلی بر محیط زیستمان دارند. چون این انگیزۀ مؤثرتری برای استفاده از انرژی خورشیدی است بحث با پیامدهای اقتصاد انرژی کنونی ما و تأثیر آن روی آب و هوا شروع شده است. پتانسیل اقتصادی انرژی خورشیدی برای رفع کامل این مسائل تلاش بسیار برای توسعه و بهبود فناوری فوتوولتایی را توجیه می‌کند، چیزی که این کتاب در تلاش است تا پایه‌گذار آن باشد.