سلول های خورشیدی

سلول های خورشیدی

جهت مشاهده کلیه قطعات برق صنعتی لطفاً کلیک کنید

اجزای سیستمهای انتقال در فیبرنوری:

1- منابع  (فرستنده های نوری)

2- فیبرهای نوری

3-آمپلی فایرهای نوری

4-آشکارسازها (گیرنده های نوری)

یک منبع نوری که توسط سیگنال الکتریکی حاوی پیام مدوله می شود (E/O)  و وارد یک فیبر با میرایی  وپاشندگی کم می گردد و گیرنده نوری  (O/E) دوباره سیگنال نوری را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند

تقویت کننده های نوری (O/A) نیز نقش مهمی در یک سیستم انتقال نوری ایفا می کنند.

1-منابع  (فرستنده های نوری)

یک فرستنده نوری شامل سه قسمت می باشد:

1-optical sourse & driver

2-modulator

3-coupler(multiplexer)

مشخصات اصلی یک منبع نوری :

  •        POWER  :

توان منبع باید به اندازه ای باشد که از سیگنال دریافتی در گیرنده بتوان پیام را با دقت مورد نیاز استخراج نمود .

  •        SPEED   :

سرعت منبع باید به حدی باشد که بتواند نورخروجی را بر اساس تغییرات سیگنال الکتریکی مدوله کننده

مدوله کند.

  •        Linewidth   :

باید طیف منبع تا حد ممکن باریک باشد تا پاشندگی رنگی (chromatic dispersion)  در فیبرتا حد ممکن کم شود.از طرفی نویز و نوسانات تصادفی بویژه در سیستمهای ارتباطی یکپارچه به حداقل برسد.

  •        Other features   :

از دیگر ویژگی های مهم یک منبع نوری میتوان از استحکام ، عدم حساسیت به شرایط محیطی مانند دما ،پایداری ، هزینه پایین و طول عمر بالا نام برد.

انواع منابع نوری :

LED(light-emitting diode) :

که از لحاظ ساختار به دو دسته تقسیم می شوند:

1- surface emitting :

این نمونه از LED ها هزینه کمتر و عمر طولانی تر و پیچیدگی ساخت کمتری برخوردارند. ولی Linewidth آنها حدود 100نانومتر پهنا دارد .در باند کاری 1300تا 1600نانومتر.

تاسرعتهای حدود 100 Mb/s استفاده از آنها امکان پذیر است ولی برای سرعتهای بالا تر 500 Mb/s

توان آنها کم است .

2- edge emitting :

این نمونه از LED ها ساختمانی شبیه لیزر دایود ها دارند بدون مکانیزم فید بک . آنها توان بالاتر همراه با Linewidth باریکتری دارند البته این مزیت همراه با پیچیدگی ودرنتیجه هزینه بالاتر است.

LD(laser diode) :

دیودهای لیزری هم توانهای بالا تا دهها وات را تأمین می کنند هم سرعت بالای چندین Gb/s ضمن اینکه دارای طیف باریک تا چند ده مگاهرتزند و به راحتی به فیبرهای تک مدی وصل  می شوند ولی در برابر تغییرات حرارتی حساسند . در نوع مالتی مد آنها به علت توزیع تصادفی توان لیزر در میان مد ها نوعی نویز به نام نویز پارتیشن بوجود می آید .

معمولاً در سیستمهای ارزان قیمت که ازفیبر پلاستیکی استفاده می کنند و در محدوده 600تا 650 نانومتر کار می کنند از LED های AlInGaP/InGaP استفاده می شود.

با این حال، In1-xGaxAs1- yPy، یک آلیاژ چند منظوره است که به طور گسترده ای برای ساخت LED ها و LD ها در منطقه نزدیک به مادون قرمز استفاده می شود.

آنها دارای یک باند گپ قابل تنظیم بر روی یک محدوده طول موجی اند ودر مسافتهای کوتاه با یک بیت ریت متوسط کاربرد دارند .

معمولترین ساختار مورد استفاده در لیزر دایود ها نوع DFB یا distributed feedback لیزر می باشند که در شکل زیر نمایش داده شده است .

این ساختار از یک لایه راه راه که در سایش با ناحیه ACTIVE می باشد در واقع جایگزین آیینه ها در لیزر Fabry–Perot است .

 

1– تقویت کننده های فیبری (OFA) :

این نوع از تقویت کننده خود قطعه ای فیبر هستند و به سه دسته تقسیم می شوند :

– erbium-doped fiber amplifiers(EDFA)

در این نوع آمپلی فایرها یونهای اربیوم در هسته فیبر به کار رفته اند این یونها که سه ترازی هستند با دمش نوری با طول موج 980نانومتر یا 1480 نانومتر به تراز سوم می روند برگشت به تراز دوم آنها خودبخودی است اما از تراز دوم به تراز پایه به صورت گسیل القایی است با طول موج 1550نانومتر که با طول موج ورودی برابر بوده و در واقع آن را تقویت می کند.

EDFA ها اولین OFA ها بودند که به طور گسترده در سیستمهای مخابراتی به کار گرفته شدند .

–  rare-earth-doped fiber amplifiers (REFAs)

مشابه همان عملکردی که EDFA  برای طول موج 1550 نانومتر داشت تولیوم برای محدوده

  S-BAND دارد(1460تا1530 نانومتر) و همچنین اتربیوم برای ورودی با طول موج 1060نانومتر استفاده می شود.

– Raman fiber amplifiers (RFAs)

در این نوع آمپلی فایر همزمان با ورودی با استفاده از یک WDM یا COUPLER طول موجی 100نانومتر کمتر از طول موج ورودی را به داخل فیبر پمپ می کنند و بر اساس اثر غیر خطی رامان طول موج ورودی تقویت می گردد.

2- تقویت کننده های نیمه هادی (SOA)

SOAهادر واقع یک قطعه کوچک نیمه هادیند که بوسیله pigtail  به فیبر اصلی وصل می شوند واصول کارشان شبیه لیزر دایودهاست .

یک SOA از نوع 3R سه عمل  Reshaping,Retiming,Regenerating را همزمان انجام می دهد

البته معایبی هم  دارند من جمله توان توان خروجی کم در حدود چند میلی وات ، تمایل به نویزی شدن ،حساسیت به پلاریزاسیون بالا و کراس تاک .

3-تقویت کننده های پارامتری نوری (OPA)

این نوع تقویت کننده ها هم گستره وسیعی از طول موج را پوشش  می دهند از مادون قرمز تا ناحیه مرئی وهم بهره قابل توجهی دارند اما برای به کار گیری در سیستمهای WDM  به دلیل پدیده FWM و حساسیت بالا نسبت به پلاریزاسیون با محدودیت روبرو هستند .

4-آشکارسازها (گیرنده های نوری):

یک گیرنده یا آشکار ساز نوری سیگنال نوری رابه سیگنال الکتریکی تبدیل می کند .

پایه اغلب آشکارسازهای نوری بر اصل یونیزاسیون در مواد نیمه هادی بنا شده است.

هنگام بحث در مورد آشکارسازهای نوری چهار پارامتر مهم وجود دارد:

1-پاسخ آشکارساز:

نسبت جریان خروجی به توان نوری ورودی از آن به عنوان بهره وری آشکارساز هم نام برده میشود.

2-محدوده پاسخ طیفی:

این محدوده طول موجی است که دستگاه در آن کار می کند

3- زمان پاسخ:

سرعت پاسخ یا واکنش گیرنده به تغییرات در شدت نور ورودی را زمان پاسخ می نامند

4-ویژگی های نویزی:

مقدار نویز تولید شده توسط گیرنده مخصوصاً در حالتی که توان نور ورودی مقدار کمی دارد بسیار مهم است.

هدایت کننده های نوری

فوتو کانداکتیوها ساده ترین آشکارسازهای قابل تصورند.این دستگاه متشکل است از یک قطعه از مواد نیمه هادی است که در آن ناخالصی تزریق نشده است ((undoped با کنتاکتورهای الکتریکی متصل به آن یک ولتاژ الکتریکی به کتاکتورها اعمال می شود وقتی فوتونی از نور ورودی توسط نیمه هادی جذب می گردد یک جفت electron/hole تشکیل می گردد (بارمنفی و مثبت)در اثر میدان الکتریکی ایجاد شده بین کنتاکتور ها در اثر ولتاژ اعمالی الکترون به سمت کنتاکت مثبت و hole(یون مثبت)به سمت کنتاکت منفی می رود بنابراین مقاومت الکتریکی قطعه نیمه هادی به مقدار نوری که به آن تابیده می شود بستگی دارد .

شکل 1 :

شکل عملی یک آشکارساز فوتو کانداکتیو ،معمولاً ساختار نمایش داده شده درشکل زیر را دارد :

شکل 2 :

که در آن بر روی یک قطعه مسطح نیمه هادی کنتاکتورهای فلزی به شکل خاصی قرار گرفته اند.کنتاکتورها طوری مثل دندانه های دو شانه درون هم جفت شده اند که که فاصله میان کنتاکت ها تا حد ممکن کم باشد از طرفی سطح تماس نیز زیاد باشد چون حاملهای بار الکتریکی با سرعت کمی در نیمه هادی حرکت می کنند این شکل خاص سرعت آشکار ساز را افزایش می دهد .

رانش الکترون سریعتر از رانش HOLEصورت می گیرد و الکترون سریعتر جذب قطب مثبت می شود وهمین امر باعث می شود تا از الکترود منفی یک الکترون دیگر وارد نیمه هادی گردد.این نوع آشکارسازها در طول موجهای بالاتر از 10تا 30 میکرون بسیار مفیدند اما چندان در کاربردهای مخابراتی از آنها استفاده نشده است بااین حال جدیداً تحقیقاتی برای اعمال تغییراتی درآنها جهت به کار گیریشان در مخابرات صورت گرفته است.

فوتو دایودها :

فوتودیودها نور را مستقیماً به جریان الکتریکی تبدیل می کنند یک (p-i-n) diode ایده آل می تواندبه ازای هر فوتون یک الکترون را در جریان الکتریکی شرکت دهد با کمال تعجب نمونه های واقعی به این ایده ال خیلی نزدیکند از طرفی جریان خروجی به حدی کم است که باید قبل از گیرنده از یک آمپلی فایر هم استفاده کرد

P-N دایودها

طرز کار P-N دایودها درست برعکس LED هاست در LED ها هنگام عبور الکترونها در جهت Pبه N تابش نور داریم اما در P-N دایودها با جذب نور الکترونها از Nبه P جریان می یابند

در واقع در آنها نوری که در p-n junction جذب می شود بیش از نوری است که ساطع می شود .

یک p-n junction که بایاس معکوس شده باشد جریانی عبور نمی دهد مگر اینکه اتفاقی بیفتد که در نتیجه آن الکترونها از لایه ظرفیت به لایه هدایت بروند (در منطقه تخلیه)در دمای اتاق  مقدار این جریان بسیار کم است فوتونها با انرژی کافی می توانند باعث این فرایند شوند.

مشکل بزرگ دراینجا این است که این منطقه تخلیه بسیار نازک است بیشتر نور بدون اینک جذب  junction شوداز آن عبور می کند وجذب ماده Dopedشده دو طرف p-n junction میشود

برای کاربردهای کنونی مخابرات این قطعه به اندازه کافی سریع نیست.

 P-I-N دیودها :

مشکل P-N دایودها در نازکی محل p-n junction در P-I-N دیودها با افزودن یک لایه با ناخالصی (Doped)بسیار کم در میان p-n junction به منظور گسترش دادن آن برطرف گردیده است که به لایه intrinsic یاذاتی میگویند(چون ناخالصی خیلی کمی دارد)درشکل زیراجزای یک

 Silicon P-I-N Diode

نمایش داده شده است:

شکل 3 :

مزایای افزودن لایه intrinsic :

1-شانس جذب فوتونهایی که وارد می شود افزایش می یابد حجم ماده جاذب به طور قابل توجهی افزایش یافته است

2-ضخیم شدن p-n junction باعث کاهش اثر خازنی آن می شود و باعث افزایش سرعت پاسخ میگردد

3-جریان از درون junction به دو طریق برقرار می شود :انتشار(diffusion) و رانش (drift) ضخیم شدن p-n junction باعث افزایش سهم جریان رانش می شود که سریعتر از جریان انتشار است لذا باعث افزایش سرعت پاسخ و کاهش زمان پاسخ تا حدود چند ده پیکو ثانیه میگردد.

نکته اصلی در مورد کار کرد یک P-I-N دیود این است که انرژی جذب شده از یک فوتون باید به اندازه ای باشد که بتواند یک الکترون را بین دو لایه (لایه ظرفیت به لایه هدایت:bandgap)ترفیع دهد در غیر اینصورت جذب نمی شود با این حال ماده فوتونهایی را جذب می کند که انرژی بیشتر از bandgap داشته باشند اینجاست که صحبت از طول موج قطعه P-I-N دیود به میان می آید به طور معمول هر     P-I-N دیود در طول موجهای کوتاهتراز طول موج قطعش کار می کند لذا پیشنهاد می گردد که از موادی استفاده شود که bandgap آنها به اندازه ای کم باشد که بتواند تمام طول موجها راپوشش دهد.

متأسفانه  کمترین bandgap بابیشترین dark current یا نویز حرارتی همراه است بااین وجود ژرمانیوم ماده مناسبی برای تمام P-I-N دیودهاست با دو bandgap مناسب یکی bandgap غیر مستقیم در 0.67 eV ودیگری غیر مستقیم در 0.81 eV با این حال نسبتاً جریان تاریک بالایی نیز نسبت به سایر مواد دارا می باشد بنابراین مواد مورد استفاده در P-I-N دیودها بسته به طول موجی که در آن کار می کنند متفاوت است .البته این محدودیت در مورد لیزر ها وLED ها که مشخصات مواد تشکیل دهنده شان طوری است که تنها در یک محدوده بسیار باریک کار می کنند چندان قابل توجه نیست .

روش بهینه این  است که ماده ای را انتخاب کنیم با انرژی bandgap کمی کمتر از انرژی بزرگترین طول موجی که قصد آشکار کردنش راداریم.

یک نتیجه جالب توجه این است که این مواد کریستالی نیمه هادی در طول موجهای بلندتر از طول موج قطع شفاف هستند .

مواد معمولی در سه محدوده طول موجی یا اصطلاحاً سه پنجره به کار می روند:

500-1000 nm Band :

P-I-N دیودهای سیلیکونی در محدوده 500 تا 1120 نانومتر کار می کنند سیلیکون دارای انرژی bandgap به اندازه 1.11 eV می باشد ارزان بودن تکنولوژی سیلیکون باعث انتخاب آن در این محدوده طول موجی شده است

با این حال از آنجایی که سیلیکون یک ماده با bandgap غیر مستقیم است (در طول موج مورد نظرما)

این ماده برای استفاده در P-I-N دیودها نا کارآمد است چون حساسیت کمی دارد .همین ویژگی مانع استفاده از سیلیکون در لیزر ها نیز می شود .

1300 nm (1250 nm to 1400 nm) Band :

در این باند ایندیم گالیم آرسناید فسفاید (InGaAsP) و ژرمانیوم می تواند استفاده شود ژرمانیوم دارای

bandgap کمتری( 0.67 eV )در مقایسه با  (InGaAsP) 0.89 eV)) است واز لحاظ تئوری طول موجهای بلندتری را می تواند پوشش دهد با این حال اثرات دیگری ژرمانیوم را محدود به طول موجهای زیر 1400 نانومتر می کند (InGaAsP) تا حد قابل توجهی گرانتر از ژرمانیوم است اما دستگاههایی که از آن استفاده می کنند حساسیت بالاتری نسبت به دستگاههایی که در آنها ژرمانیوم به کار رفته است دارند .

1550 nm Band (1500 nm to 1600 nm)

ماده مورد استفاده در این باند معمولاً InGaAs که باند گپ 0.77 eV دارد.

البته بسته به اینکه چه نوع آلیاژی از فلزات مورد استفاده قرار گیرد این باند گپ تغییر می کند که تفاوت مقادیر در جدولهای مربوطه نیز به همین دلیل است(به عنوان مثال نسبت ترکیب Ga و In )

 بازده P-I-N دیودها را می توان در طول موجهای بلند با استفاده از هترو استرکچرها بهبود بخشید برای مثال استفاده از GaAlAsبه عنوان P-LAYERو Ga-Asبه عنوان i وN-LAYER

فلسفه این کار این است که چون نور تابشی ابتدا وارد لایهP میشود چنانچه تمام آن جذب شود دیگر چیزی به لایه intrinsic نمی رسد لذا جریانی نیز بوجود نمی آید از این رو لایه Pرا با باند گپی بالاتر از انرژی فوتونها می سازند تا نور بتواند به لایه intrinsic   برسد.

اندازه گیری بازده در P-I-N دیودها

در مورد بازده PIN photodetectors اندازه گیری دو مورد مد نظر است:

1-بازده کوآنتومی:

به طور ساده نسبت الکترونهای جمع شده در junction  به تعداد فوتونهای تابیده شده به آن.

2-پاسخ دهی:( Responsivity)

بازده کوآنتومی بیانگر سطح انرژی  فوتونهای تابیده شده نیست اما Responsivity این سطح را نمایش میدهد وبرابر است با نسبت جریان خروجی برحسب آمپر به توان نور ورودی برحسب وات:

output photocurrent/ input optical power = Responsivity

یک Responsivity معمولی برای یک سیلیکون فوتو دایود در طول موج 900نانومتر برابر است با 0.44 (A/w)

البته Responsivity بستگی بسیار نزدیکی به بازده کوآنتومی دارد .

فوتودایودهای Schottky-Barrier :

 در بسیاری از مواقع اتصال یک فلز و یک نیمه هادی برخی از خواص P-N junction را دارد و

“metal-semiconductor photodiodes” نامیده می شوند فوتودایودهای Schottky-Barrier از این خاصیت استفاده می کنند همانطور که در شکل زیر نمایش داده شده است یک لایه نازک فلز جایگزین نیمی از P-N junctionمیشود (جایگزین لایه P )

شکل 4 :

photodiode شاتکی در صنعت مخابرات امروزه چندان کاربردی ندارد اما پایه بسیاری از تحقیقاتی است که برای بهبود بخشیدن به سرعت و بازده آنها در جریان است.(بهبود بازده با بهبود سرعت هم همراه است )زیرا کار با فوتودایودهای دوسمت نیمه هادی با مشکلات ذیل همراه است:

-نیمه هادیهای زیادی با بازده های بالا موجودند ولی مشکل اکثرآنها این است که نمی توان آنها رابه هر دوصورت PوN درآورد.

-اتصالات فوتودایودهای شاتکی با یک دستگاه heterostructure عادی قابل اجراست اما اتصال دو نیمه هادی به هم به شدت گزینه های انتخاب را کاهش میدهد.

فوتودایودهای آوالانژ (APD)

شکل 5 :

فوتو دیودهای آوالانژ(بهمنی) در حین آشکارسازی سیگنال را تقویت هم می کنند اصول کار آنها شبیه photomultiplier هاست که در تشخیص تشعشعات هسته ای استفاده می شوند.

درphotomultiplier ها:

1-یک تک فوتون یک الکترون آزاد می کند

2-این الکترون تحت تأثیر میدان الکتریکی شتاب می گیرد تا به مواد هدف برخورد کند

3-این برخورد با هدف باعث “impact ionisation” (یونیزاسیون شدید)می شود که باعث آزاد شدن الکترونهای متعدد می شود

4-این الکترونهای آزاد شده به نوبه خود تحت تأثیر میدان الکتریکی شتاب می گیرند و به هدف های دیگر برخورد می کنند.

5- این عمل الکترونهای بیشتری را آزاد می کند واین عمل آنقدر تکرار می شود تا در نهایت به قسمت  کالکتور برخورد کنند بنابراین طی چند مرحله یک فوتون باعث جریان یافتن تعداد زیادی از الکترونها می شود

البته دیود های آوالانژ تفاوتهایی نیز با لوله های photomultiplier دارند.

در Photomultiplier tube ها درون لوله ای خلأ در طول در فواصل منظمی هدفهای فلزی قرار داده شده است در APD ها همین اصل استفاده می شود اما این عمل در خود نیمه هادی اتفاق می افتد .

در APD ها عمل آشکارسازی با 10تا 100 برابر تقویت نیز همراه است.

شکل 6 :

شکل پایه یک APD در واقع همان پین دایود است که با یک ولتاژ معکوس بسیار زیاد بایاس شده است از 50 تا 200 ولت در حالی که پین دایودهای استفاده شده در مد فوتو کانداکتیو با ولتاژی حدود 3 ولت یا کمتر کار می کنند.

در گذشته APDهای موجود در بازار برای کار به ولتاژ چند صد ولتی احتیاج داشتند ولی امروزه با ولتاژهای پایین تری کار می کنند .

تفاوت اصلی بین ساختار یک پین دیود ویک APD این است که لایه i در پین دیـــــود به میــــــزان کم n-doped است ولی در APD این لایه به میزان کم p-doped است و نامش نیز به لایه π تغییر یافته است .این لایه از لایه i ضخیمتر و با دقت بیشتری ساخته می شود تا میدان الکتریکی در تمام طول آن یکنواخت باشد .

guard ring نمایش داده شده در شکل 5 ازتداخلات نا خواسته در لبه های ناحیه multiplication

جلوگیری می کند

شرح عملکرد APD   به شرح زیر است :

فوتونهای رسیده معمولاًبه طور مستقیم n+p junction   را طی می کند (چون خیلی نازک است)ودر لایه  π جذب می شود این جذب تولید الکترون آزاد در باند هدایت می کند و یک حفره در باند ظرفیت

پتانسیل الکتریکی در راستای لایه π کافیست تا الکترونها به سوی یک کنتاکت و حفره ها به سمت کنتاکت دیگر بروند .

در شکل الکترونها جذب لایه n+ در قسمت بالایی می شود به دلیل بایاس الکتریکی که کنتاکت بالایی به قطب مثبت وصل شده است پتانسیل الکتریکی در طول π جهت عمل multiplication کافی نیست اما اطراف محل اتصال بین n+ و p آنقدر شدید است که الکترونها را به شدت شتاب می دهد و انرژی آنها را به حدی بالا می برد که بابرخورد مداوم با دیگر اتمها الکترونهای بیشتری را آزاد می کنند و حالت “impact ionisation” (یونیزاسیون شدید) اتفاق می افتد .

مشکلی که دراینجا موجود است که وقتی یک الکترون با برخورد با یک اتم آن را یونیزه می کند الکترون حاصل یک اتم دیگر را یونیزه می کند و حفره ایجاد شده نیز اتم دیگر را و اگر این روند ادامه یابد روند بهمنی شدن یا آوالانژ متوقف نخواهد شد واز کنترل خارج می شود اما در عمل از موادی استفاده می شود که مثلاً توانایی یونیزه شدن در آنها در برخورد با الکترون بیش از برخورد با حفره باشد که در سیلیکون اینگونه است .

در آلیاژ III-V حفره ها غالبند .

در نتیجه فرآیند بالا به ازای هر فوتون 10 تا 100 جفت الکترون وحفره ایجاد می شود .

شکل 7 :

نکته مهمی که در مورد این شکل باید به آن توجه کنیم این است که ناحیه multiplication بسیار کوچک است وجذب بیشتر در لایه π صورت می گیرد تا نزدیک junction .این است که ناحیه تکثیر و جذب از هم جداهستند . این در شکل 7 نمایش داده شده است .

در این جا چند عامل مهم وجود دارد:

1- شدت میدان الکتریکی باید بسیار بالا باشد حدود 10ولت برمتر

در حضور چنین میدان بزرگی در منطقه multiplicationعیوبی نظیر عدم تطبیق لایه ها (اتصال نامناسب)، ناخالصی ها وحتی تغییرات در غلظت dopant می توانند باعث ایجاد نواحی کوچکی از

multiplication  کنترل نشده گردد که به آنها   “microplazmas”می گویند برای کنترل این اثرات باید ناحیه  “multiplication”کوچک باشد که دلیل استفاده از guard ring نشان داده شده در شکل5 نیز همین است. دراطراف ناحیه multiplication تمایل به بی نظمی و آشفتگی در ساختار مواد زیاد است وچنانچه از حلقه حفاظتی استفاده نشود  به مکان مناسبی جهت تشکیل microplazmas تبدیل خواهد شد.

علاوه براین برای ایجاد یک میدان الکتریکی با قدرت مورد نیاز احتیاج به یک ولتاژ بایاس داریم که با افزایش ضخامت ناحیه multiplication آنهم باید افزایش یابد (به نسبت مستقیم)

ولتاژهای بالا ی 12 ولت هم هزینه زیادی دارند وهم در مواد نیمه هادی مشکل ساز می شوند لذا باید تا حد ممکن ولتاژ را کاهش داد .

2-برای رسیدن به ولتاژ حداقل ناحیه junction خیلی باریک می شود و نمی تواند تعداد زیادی فوتون را جذب کند لذا در ناحیه π جذب صورت می گیرد .

3-بسیاری از APD ها طوری طراحی شده اند ناحیه تخلیه آنها از ناحیه P شروع و تا انتهای ناحیه π ادامه می یابد

همانند پین دایودها در APD هانیز مواد مختلفی برای باندهای مختلف طول موجی استفاده می شود:

800 nm to 1 Micron Band

دراین باند سیلیکون به کار میرود و ژرمانیوم نیز عملکرد خوبی دارد .البته لول نویز در مورد ژرمانیوم بیشتر از سیلیکون است .

همانگونه که در مورد پین دایود ها هم اشاره شد سیلیکون انرژی باند گپ بالایی دارد لذا فقط در مورد طول موجهای زیر یک میکرون از آن استفاده می شود در عمل طول موجهای کوتاه فقط برای فواصل کوتاه و زیر 500متر استفاده می شوند که در این محدوده نیز چون میرایی چندانی نداریم استفاده از APDها که حساسیت بالایی دارند چندان اقتصادی نیست.

1310 nm Band

این باند چون برای اکثر مسافتهای طولانی استفاده می شود و لذا در سیستمهای مخابراتی اهمیت زیادی دارد دراین باند به طور گسترده از ژرمانیوم استفاده می شود ولی به دلیل سطح نویز بالای آن استفاده از آلیاژهای نیمه هادی III-V روبه گسترش است.

1550 nm Band

آلیاژهای نیمه هادی III-V به طور گسترده دراین باند مورد استفاده قرار می گیرند رایج ترین مواد مورد استفاده در سیستمها InGaAs/InP است که در آن حامل غالب حفره است.

ویژگی های APD :

مهمترین ویژگی APD ها حساسیت بالا و سرعت عملکرد آنها ، gain-bandwidthولول نویز آنهاست

حساسیت:

حساسیت فوق العاده APD ها دلیل اصلی استفاده از آنهاست.

سرعت عملکرد:

همان خاصیت خازنی که سرعت پین دایودها را کاهش می دهد در APD ها نیز سرعت را کاهش می دهد اما پدیده آوالانژ در APDاین کاهش سرعت را جبران می کند.

همانطور که آوالانژ سرعت را می بخشد چون با قطع سیگنال برای مدتی آوالانژ هنوز ادامه دارد همین عامل مانع از دست یابی به سرعتهای بالا تر در APDها می شود.

Gain-Bandwidth :

یکی از مشخصه هایی که نشانه مرغوبیت گیرنده های نوری است حاصلضرب Gainبر حسب dBدر Bandwidth است این عدد برای یکی از APD های خیلی خوب موجود ممکن است 150 GHz باشد.

Noise

APD ها طبق همان خاصیت تکثیری که از آن بهره می گیرند ذاتاً نویزی هستند تحت تأثیر الکترونهایی که دراثر حرارت محیط آزاد می شوند.این مشکل خاص وسایلی است که در طول موجهای بالاتر کار می کنند ودر عین حال انرژی باند گپ کمی دارند .در آنها باید دقت کرد که ولتاژ الکتریکی فقط تا حد لازم برای یونیزاسیون یا  multiplication باشد ونه بیشتر . ولتاژ بیشتر می تواند باعث یونیزاسیون خودبخودی وغیر مرتبط با تابش نور به گیرنده شود .

دربسیاری از کاربردها در مسافتهای دور داشتن حساسیت بالا نسبت به بقیه فاکتور ها ارجحیت دارد .با این حال در مقابل حساسیت و سرعت بالای APD ها نویز عاملی محدود کننده برای آنهاست.

امروزه ترکیب پین دایود با یک preamplifiers حساسیت بیشتری را از یک APDبا نویز کم ایجاد می کند.

آشکار سازهای Hetero-Interface:

در بین موادی که در دسترسند برای طول موج زیر یک میکرون APD هایی که با سیلیکون ساخته می شوند بهترین پاسخ بالاترین بهره وکمترین نویز را دارند ولی برای طول موجهای بالاتر به دلیل باند گپ بالا توانایی جذب نور را ندارد .

ایده APD های هترو جانکشن جایگزینی p-layer silicon ها با موادی که نور های با طول موج بالاتر را جذب می کنند مانند InGaAs می باشد.

میدان الکتریکی درون قطعه طوری سازماندهی شده است که آشکار سازی درون InGaAs صورت گیرد و multiplication محدود به لایه سیلیکونی i که کمترین نویز را دارد محدود شود .

ورود نور می تواند از هر دو طرف صورت بگیرد گرچه از سمت سیلیکونی ترجیح داده می شود .

مشکل بزرگ اتصال مناسب این دو لایه به هم است .که طی فرآیندی به نام  “wafer fusion” صورت می گیرد به قطعه حاصل Silicon Hetero-Interface Photodetector (SHIP) می گویند.

این ساختار نسبت به APDها هم gain-bandwidth بسیار بالاتری (تا350HZ) دارد وهم نویز کمتر.

در حال حاضر این تکنولوژی در مراحل پژوهشی قرار دارند وبه زودی تجاری می شوند .

آشکار سازهای Travelling-Wave

برای ساختن یک آشکارساز پین که در سرعت های بالا کار کند به یک مشکل جدی برخورد می کنیم بیشترین پاسخ فرکانسی  به زمانی که صرف  drift/diffuse رانش و پخش شدگی الکترون وحفره ها حین عبور از لایه i  می شود بستگی دارد .این رانش و پخش شدگی در نهایت باعث می شوند که حاملهای بار عرض لایه i راطی کنند. drift/diffuse به آهستگی صورت می گیرند و زمان زیادی می برد برای بالا بردن سرعت آشکار ساز ناچاراً باید لایه i  تا حدممکن نازک باشد  اما از سوی دیگر نازکی بیش از حد آن هم خاصیت خازنی را بالا می برد که آنهم سرعت پاسخ را کاهش می دهد که باید با کاهش سطح قطعه باید این افزایش خاصیت خازنی را جبران کنیم که منجر به کوچک شدن قطعه می شود کوچک شدن قطعه نیز معادل کم شدن جریان است.

شکل 8 :

همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است افزایش سرعت بیش از 10 Gbps باعث کاهش جدی بازده کوانتومی quantum efficiency (QE) می شود واین علاوه بر اثر ذاتی کاهش بهره در سرعتهای بالاست چون در سرعتهای بالا برای آشکار سازی مطمئن یک بیت اطلاعات به تعداد معینی فوتون نیاز است.

هنگامی که سرعت دوبرابر میشود در حالیکه تعدادفوتونهای لازم همان مقدار قبل است در نتیجه برای بدست آوردن همان سطح خروجی باید به دفعات سرعت دوبرابر شود وبا هربار دوبرابر شدن سرعت حساسیت نصف می شود وبرای ثابت ماندن BER باید تغذیه را دو برابر کنیم .

گیرنده هایTravelling-Wave راه حلی هستند برای مشکل کاهش QE در ازای افزایش سرعت.

شکل 9 :

اساس کارگیرنده Travelling-Wave در شکل 9 نمایش داده شده است. تعدادی آشکارساز پین درون یک موج بر نوری کنار هم قرار داده شده اند .به قسمی که نور جذب نشود.

نور پس از ورود از سمت چپ موجبر یکی پس از دیگری با آشکارسازهای پین برخورد می کند که هرکدام به طور معمول شامل یک preamplifier می باشد همزمان با سیگنال نوری که از موجبر می گذرد سیگنال الکتریکی تولید شده هم از موجبر می گذرد وطراحی طوری صورت می گیرد که سرعت این دو برابر باشد که با وجود پیچیدگی امکان پذیر است.

دستگاههایی مانند این هنوز هم QEبه خوبی یک پین دایود درسرعت کم ندارندبا این حال آنها در سرعتهای بسیار بالا QEشان به طور قابل توجهی بهتر از یک پین دایود تک مرحله ای است.

آشکار سازهای  Resonant-Cavity :

جایگزینی برای گیرنده های Travelling-Wave برای بدست آوردن QE بالاتر در سرعت خیلی بالا گیرنده های Resonant-Cavity که در شکل 10 نمایش داده شده اند:

شکل 10 :

ایده کار به این شکل است که چون برای افزایش سرعت مجبوریم لایه i را خیلی نازک بگیریم می توانیم طوری عمل کنیم که نور چندین مرتبه از این لایه نازک بگذرد تا شانس بیشتری برای جذب داشته باشد.

حفره FP حفره رزونانس است ودر عین حال یک فیلتر نیز می باشد که روی یک طول موج خاص تنظیم می شود پس این نوع از گیرنده ها می تواند طول موج را نیز گزینش کند لذا در وســایلی نظیر  WDM demultiplexor  استفاده می شود .

Phototransistors

درحقیقت ترانزیستورهای سنتی که اصطلاحاً “Bipolar Junction Transistors(BJT)” نامیده می شوند در واقع نسبت به نور حساسند وعلت اینکه در یک محفظه کدر قرار می گیرند به همین علت است .

و نور ناخواسته برای آنها یک منبع نویز تلقی می شود .

فوتو ترانزیستورها بسیار شبیه ترانزیستورهای معمولی BJT هستند جز اینکه طوری طراحی شده اند که به عنوان آشکار ساز به کار روند ترانزیستور یک آمپلی فایر است ودر فوتو ترانزیستور Gainبا مقدار نور برخورد کننده به آن کنترل می شود .

شکل 11 :

 تابش نور در نقاط مختلف یک فوتوترانزیستور تولید حاملهای بار می کند و ولی در تابش عمدی طراحی طوری صورت می گیرد که این جذب در منطقه تخلیه بین امیتر و بیس اتفاق بیفتد .ایجاد حاملهای بار در این منطقه تولید جریان E-Bمی کند که این جریان توسط ترانزیستور تقویت می شود .این آشکارسازها نسبت به  APD ها خیلی نویز کمتری دارند وخروجی بیشتری نیز می دهند .

اما طول موج های کمتری را نسبت به APDها و پین دایود ها آشکار می کنند واین به دلیل باندگپ بالای سیلیکون و گالیوم ارسناید است که در ترانزیستورها به کار می رود که پاسخ دهی  را محدود به طول موجهای زیر یک میکرون می کند

ژرمانیوم در باند 1300 نانومتر مورد استفاده قرار می گیرد اما چون در این باند از موادی مانند InP که باند گپ کوچکتری دارند هم می توان استفاده کرد  باصرفه تراست که از ژرمانیوم در باند 1550نانومتر استفاده شود.

بیشترین استفاده از فوتو ترانزیستورها در کاربردهای غیر مخابراتی است در طول موجهای نور مرئی و نزدیک آن در سیستمهای هشدار نوری  (light beam detection)و ریموت کنترلهای وسایلی نظیر تلویزیون و درهای اتوماتیک .

فوتوترانزیستور ها گاهی به عنوان بخشی از یک آی سی استفاده می شوند در این ساختار به آنها Integrated Preamplifier Detectors (IPDs)  می گویند .

پهنای باند گیرنده:

محدودیتهای سرعت پاسخ فتودیود و اجزای الکترونیکی نتیجه ای در افت تدریجی سطح خروجی ورای یک فرکانس خاص ایجاد می کند. در نقطه ای که خروجی به % 50 مقدار فرکانس خود سقوط می کندکه نقطه 3dB نامیده می شود.

در این نقطه فقط نیمی از توان سیگنال بدست آورده می شود که در سرتاسر آشکارساز نسبت به فرکانسهای پایین تر مقایسه می گردد. نقطه 3dB پهنای باند گیرنده را مشخص می کند، که محدوده فرکانسهایی که یک گیرنده می تواند در سیگنال دوباره تولید شود را مشخص می کند. اگر زمانهای صعود و سقوط برابر باشند، پهنای باند 3dB برحسب MHZ می تواند از زمان صعود با رابطه ذیل تخمین زده شود که:

:BER

درسیستمهای دیجیتال نشانگر کیفیت آشکار سازی است:

BER = NE/NT

که برابر است با نسبت تعداد بیتهای خطا به بیتهای صحیح

SNR (Signal to Noise Ratio):

معادل BER  در آنالوگ کمیتی به نام SNR نشانگر کیفیت آشکار سازی است

برای داشتن SNR بالا، در رابطه اخیر باید صورت کسر حداکثر و مخرج آن حداقل گردد. به بیان دیگر

صورت و مخرج کسر باید به ترتیب بزرگ وکوچک شوند پس باید شرایط زیر فراهم گردد:

1-آشکار ساز باید کارایی کوآنتومی بالایی در تولید سیگنال بزرگ را داشته باشد .

2-نویزهای آشکار ساز و تقویت کننده باید تا سرحد امکان پایین نگه داشته شوند.

منابع:

OPTICAL FIBERS AND FIBEROPTIC

COMMUNICATIONS

Tom G . Brown

و

Understanding Optical Communications

Harry J. R. Dutton

سلول های فتو ولتائیک: تبدیل فتون ها به الکترون ها
سلول های خورشیدی که در ماشین حساب ها و ماهواره ها می بینید، با نام سلول های photovoltaic یا «قدرت زای نوری» هم شناخته می شوند. این نام از آنجا نشات گرفته که photo به معنی نور و voltaic به معنی الکتریسیته است، این سلول ها قرار است که نور خورشید را مستقیما تبدیل به الکتریسیته کنند. یک ماژول از گروهی سلول های متصل الکتریکی تشکیل شده و در یک فریم قرار گرفته است که بیشتر به عنوان یک پنل خورشیدی شناخته می شود. این پنل ها در گروه های بزرگ آرایه های خورشیدی در کنار یکدیگر قرار می گیرند و همگی همانند یک جسم واحد عمل می کنند.

سلول های فتو ولتائیک از مواد ویژه ای ساخته شده اند که آنها را semiconductor یا نیمه رسانا می نامیم. از این مواد می توان به سیلیکون اشاره کرد که اکنون بسیار پرکاربرد است. در اصل هنگامی که نور با سلول برخورد می کند، مقدار مشخصی از آن توسط مواد نیمه رسانا جذب می شود. این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتقل می شود. انرژی به الکترون های سست ضربه می زند و اجازه می دهد که آنها آزاد شده و به گردش در آیند.

سلول های فتو ولتائیک همچنین دارای یک میدان الکتریکی هستند که به عنوان یک اجبار برای الکترون های آزاد شده توسط نور جذب شده عمل می کند و آنها را در جهت معینی به جریان می اندازد. این گردش الکترون ها یک جریان ایجاد می کند و با قرار دادن اتصال های فلزی در پایین و بالای سلول فتو ولتائیک می توانیم این جریان را برای مصارف مختلف بیرون بکشیم. این جریان، به همراه ولتاژ درون سلول ها (که در نتیجه میدان یا میدان های الکتریکی درونی سلول ایجاد می شود) قدرت یا ولتاژ تولیدی توسط یک سلول خورشیدی را تعریف می کنند.

این فرآیند اساسی است که در یک سلول خورشیدی اتفاق می افتد، اما واقعیت بسیار پیچیده تر و بیشتر از آن است. در ادامه به شکل دقیق تر و عمیق تر نگاهی به یک سلول فتو ولتائیک می اندازیم: یک سلول سیلیکونی تک-کریستال.

 

چگونه سیلیکون تبدیل به سلول خورشیدی می شود؟
سیلیکون برخی خصوصیات شیمیایی ویژه و منحصر به فرد دارد. به ویژه اینکه در حالت کریستالی باشد. یک اتم سیلیکون ۱۴ لکترون دارد که در سه پوسته مختلف مرتب شده اند. دو لایه اول که دو و هشت الکترون دارند کاملا پر هستند. لایه یا پوسته بیرونی تنها نیمی از ظرفیتش با چهار الکترون پر شده است. اتم سیلیکون همواره به دنبال راهی است تا لایه آخر خود را کامل کند. و برای انجام این کار الکترون های خود را با چهار اتم کناری اش به اشتراک می گذارد. مانند اینکه هر اتم با اتم های کناری دست به دست هم داده و با چهار همسایه اش متحد شوند. این همان چیزی است که آن را ساختمان متبلور یا کریستالی می خوانند و این ترکیب است که در این نوع از سلول فوتو ولتائیک اهمیت فراوانی پیدا می کند.

تنها مشکل این است که سیلیکون کریستالی خالص رسانای الکتریسیته ضعیفی است، زیرا بر خلاف مواد رسانایی همچون مس، هیچ یک از الکترون های آن برای انتقال الکتریسیته آزاد نیستند. برای حل این مشکل، سیلیکون مورد استفاده در سلول خورشیدی با برخی اتم های دیگر ترکیب شده و ناخالصی موجود کمی شیوه کار اتم های سیلیکون را تغییر می دهد. سیلیکون را با تعداد کمی اتم های فسفر تصور کنید. شاید یک اتم به ازای هر یک میلیون اتم سیلیکون. فسفر در لایه بیرونی خود بر خلاف ۴ الکترون سیلیکون، ۵ الکترون دارد. اما هنوز با سیلیکون های همسایه اش باند شده و تشکیل اتحاد می دهد. اما به شکلی منطقی، فسفرها هنوز یک الکترون آزاد دارند که به هیچ جا متصل نیست. و عضو هیچ اتحادی هم نیست. اما در هسته فسفر پروتون مثبتی قرار دارد که آن را در جای خود نگه می دارد.

هنگامی که انرژی به سیلیکون خالص اضافه می شود، برای مثال به شکل فوتون، باعث می شود که برخی الکترون ها باندها و ارتباطات شان را شکسته و آزاد شوند. و در پس هر یک از این موارد شکست، یک حفره باقی می ماند. این الکترون ها «حاملان آزاد» نامیده می شوند و سپس به صورت تصادفی درون شبکه متبلور و کریستالی سرگردان خواهند بود و به دنبال حفره دیگری هستند تا درون آن افتاده و جریان الکتریکی را هدایت کنند. به هر صورت در سیلیکون خالص تعداد کمی از اینها وجود دارد که نمی توانند چندان مفید باشند.

اما سیلیکون ناخالص همراه با اتم های فسفر داستان متفاوتی دارد. این ترکیب به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد تا یکی از الکترون های اضافی فسفر را از دست دهد. زیرا آنها به جایی وصل نبوده و در اشتراک با دیگر اتم ها نیستند. در نتیجه بسیاری از این الکترون ها به سادگی می شکنند. در نتیجه نسبت به سیلیکون خالص، تعداد بسیار بیشتری حامل آزاد خواهیم داشت. فرآیند اضافه کردن ناخالصی را تغلیظ می نامند و هنگامی که این کار توسط فسفر انجام شود به سیلیکون تولید شده توسط این فرایند N-type می گویند که حرف n از کلمه negative گرفته شده است. زیرا این کار باعث از دست دادن الکترون می شود. سیلیکون تغلیظ شده N-type رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیکون خالص است.

بخش دیگر سلول های خورشیدی معمول، سیلیکون تغلیظ شده با عنصر بور است. بور در لایه بیرونی خود تنها سه الکترون دارد. در این حالت سیلیکون تولیدی را P-type می نامند که از کلمه Positive گرفته شده است. زیرا این سیلیکون در لایه آخر خود جای خالی برای یک الکترون داشته و با جذب حامل ها بار مثبت پیدا می کند.

حال بگذارید ببینیم هنگامی که این دو بخش در کنار هم قرار گرفته و به تعامل با هم می پردازند چه اتفاقی می افتد.

 

آناتومی یک سلول خورشیدی
اکنون می دانیم که دو بخش سیلیکونی ما به صورت مجزا ماهیت و طبیعت الکتریکی دارند. اما بخش جالب ماجرا وقتی شروع می شود که آنها را در کنار هم قرار دهید. زیرا بدون یک میدان الکتریکی، سلول کار نمی کند. و این میدان هنگامی شکل می گیرد که سیلیکون های P-type و N-type در ارتباط با هم باشند. ناگهان، الکترون های آزاد تمام حفره های خالی را پر می کنند؟ خیر. اگر چنین اتفاقی بیفتد، دیگر این دم و دستگاه چندان مفید و بدرد بخور نخواهد بود. البته درست در محل اتصال، آنها با هم ترکیب شده و یک سد می سازند. در نتیجه هر لحظه عبور الکترون ها از سمت N و رسیدن آنها به سمت P سخت تر و سخت تر می شود. سرانجام موازنه برقرار می شود. ما یک میدان الکتریکی مجزا در دو سو داریم.

این میدان الکتریکی همچون یک «دیود» عمل می کند و به الکترون ها اجازه می دهد (و آنها را مجبور می کند) تا از سمت P به سمت N جریان پیدا کنند. اما در خلاف این جریان حرکتی نخواهیم داشت. این درست مانند یک تپه است که الکترون ها می توانند به راحتی از آن پایین بیایند (سمت N) اما امکان بالارفتن از آن را ندارند (سمت P).

هنگامی که نور به شکل فوتون به سلول خورشیدی برخورد می کند، انرژی آن جفت های الکترون-حفره را از هم می شکند. هر فوتون با انرژی کافی معمولا می تواند یک الکترون را آزاد کند. اگر این اتفاق به اندازه کافی نزدیک به میدان الکتریکی باشد، یا اینکه الکترون و حفره آزاد شده سرگردان باشند، میدان الکتریکی موجود الکترون آزاد شده را به سمت N و حفره را به سمت P می راند. حال اگر یک مسیر جریان خروجی تهیه ببینیم، الکترون ها از سمت P به واحد الکتریکی جریان می یابند و کاری را که ما می خواهیم انجام می دهند. گردش الکترون ها تولید جریان می کند و میدان الکتریکی سلول باعث تولید ولتاژ می گردد. با جریان و ولتاژ، ما نیرو را خواهیم داشت که محصول هر دو است.

البته هنوز برقی قطعات دیگر باقی مانده اند تا ما واقعا بتوانیم از سلول خورشیدی مان استفاده کنیم. سیلیکون ها مواد بسیار درخشانی هستند که می تواند قبل از اینکه فوتون ها کارشان را انجام دهد باعث بازتاب آنها شوند.

یک پوشش ضد انعکاس لازم است تا تلفات را به حداقل برساند. مرحله آخر هم نصب چیزی است که از سلول ها در برابر محیط محافظت کند. این محافظ اغلب یک روپوش از طلق شیشه ای است. ماژول های فوتو ولتائیک معمولا از اتصال چندین سلول مجزا به یکدیگر برای دستیابی به سطح قابل قبولی از کاربردپذیری و میزان جریان و ولتاژ ساخته می شوند. و با قرار دادن آنها در یک فریم محکم و قوی به همراه ترمینال های مثبت و منفی داستان را کامل می کنند.

اکنون این سلول فوتو ولتائیک ما چه میزان انرژی خورشید را جذب می کند؟ متاسفانه شاید این میزان چندان زیاد نباشد. برای مثال در سال ۲۰۰۶ اغلب پنل های خورشیدی تنها بازده ۱۲ تا ۱۸ درصدی داشتند. آنچه که امروزه به عنوان بهترین راندمان سلولهای خورشیدی مطرح می شود و رکوردی برای بازده است، ۴۰ تا 40.7 درصد است.

 

اتلاف انرژی در یک سلول خورشیدی
نور مرئی تنها بخشی از طیف الکترومغناطیس است. تشعشع الکترومغناطیس تک رنگ نیست و از دامنه ای از طول موج های مختلف تشکیل شده و در نتیجه سطوح انرژی متفاوتی دارد.

نور را هم می توان به طول موج های گوناگونی تجزیه کرد که ما آن را به شکل رنگین کمان می بینیم. از آنجایی که سلول ما توسط فوتون هایی با دامنه انرژی های متفاوت مورد اصابت قرار می گیرد، لذا برخی از آنها انرژی لازم برای شکست پیوند الکترون-حفره را ندارند. آنها به سادگی از درون سلول می گذرند، درست انگار که از یک شیشه شفاف عبور کرده اند. در حالی که برخی دیگر از فوتون ها انرژی بسیار زیادی دارند. تنها میزان مشخصی از انرژی، که با الکترون ولت اندازه گیری شده (و میزان لازم برای مواد درون سلول ما هم مشخص است) می تواند بر الکترون های اتم های سیلیکون سلول خورشیدی ما اثر گذارد. ما این را band gap energy می نامیم. اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم داشته باشد، پس انرژی اضافی هدر می رود. مگر اینکه فوتون انرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشته و بتواند به طور همزمان دو الکترون را رها کند که این هم چندان زیاد نیست که معنی دار محسوب شود. به این صورت است که تقریبا ۷۰ درصد انرژی تابشی دریافتی توسط سلول ما در واقع تلف می شود و کارایی ندارد.

چرا نمی توانیم موادی را انتخاب کنیم که band gap پایینی داشته باشند و از فوتون های بیشتری بهره ببریم؟ متاسفانه band gap ما توسط قدرت یا ولتاژ میدان الکتریکی مان هم محدود شده است و اگر بسیار پایین باشد، جریانی که توسط جذب فوتون های بیشتر تولید می شود، ولتاژ بسیار پایین تری تولید خواهد کرد. و شیوه کار فعلی بهینه ترین حالت ممکن برای تولید ولتاژ و جریان مناسب است.

ما همچنین تلفات دیگری هم در این میان داریم. الکترون های ما توسط یک مدار بیرونی از یک سوی سلول به سوی دیگر جریان پیدا می کنند. ما می توانیم بخش پایینی را با فلز پوشانده و رسانایی مناسبی را تامین کنیم. اما اگر بخش بالایی را کامل بپوشانیم، آنگاه فوتون ها نمی توانند از درون رسانای مات عبور کنند و ما تمامی جریان را به کلی از دست می دهیم. در برخی از سلول های خورشیدی در بالا از رساناهای شفاف استفاده می شود. اگر هم نقاط تماس مان را در دیواره های سلول قرار دهیم. الکترون ها راه واقعا طولانی را لازم است برای رسیدن به نقاط تماس طی کنند. به خاطر داشته باشید که سیلیکون یک نیمه رسانا است و همانند فلز از پس عبور جریان بر نمی آید. و مقاومت داخلی آن نسبتا بالا است. و مقاومت بالا به معنی اتلاف انرژی بالا است. برای به حداقل رساندن این اتلاف، سلول ها را توسط شبکه فلزی می پوشانند که فاصله سفر الکترون ها تا نقاط تماس را به حداقل می رساند. البته این مورد هم باعث بلوکه شدن برخی فوتون ها می شود که اگرچه خیلی کم نیست، اما از مقاومت داخلی نیمه رساناها بسیار کمتر است.

اکنون می دانیم که یک سلول خورشیدی چگونه کار می کند. اجازه دهید ببیینیم چگونه می توان انرژی یک خانه را با این تکنولوژی تامین کرد.

 

تامین انرژی خانه با سلول خورشیدی
برای تامین انرژی خانه مان با انرژی خورشیدی به چه چیزی نیاز داریم؟ اگر چه کار به سادگی نصب چند ماژول بر روی پشت بام خانه نیست. و البته چندان هم متفاوت با آن نیست.

اول از همه، تمامی پشت بام ها جهت مناسب یا زاویه و شیب لازم برای استفاده کامل از نور خورشید را ندارند. سیستم های فوتو ولتائیک ثابت که امکان رهگیری نور خورشید را ندارد، باید در جهت مناسبی نصب شوند که بیشترین مدت روز و بیشترین مدت سال از نور مستقیم خورشید بهره مند شوند. البته هنگام نصب این نکته هم باید در نظر گرفته شود که شما می خواهید حداکثر برق را در صبح تولید کنید یا هنگام عصر آن را در اختیار داشته باشید. از خانه در زمستان بیشتر استفاده می شود یا تابستانه است. و مطمئنا پنل ها نباید توسط سایه درختان اطراف خانه یا خانه های همسایه ها پوشانده شوند.

اگر هم پشت بام شما در جهت مناسبی قرار ندارد، اکنون لازم است درباره اندازه سیستم انتخابی تان تصمیم گیری کنید. این موضوع وقتی پیچیده تر می شود که حقایق دیگری را هم در داستان دخالت دهیم. مثلا اینکه تولید الکتریسیته بستگی به آب و هوا هم دارد که اصلا نمی توان آن را پیش بینی کرد. یا اینکه میزان مصرف الکتریسیته شما کاملا متغیر است.

خوشبختانه این موانع به سادگی قابل حل هستند. اطلاعات هواشناسی به ما امکان سنجش میزان تابش ماهیانه خورشید را می دهند. همچنین دیگر فاکتورهای مهم چون روزهای بارانی، ابری و میزان رطوبت را هم برای مان پیش بینی می کنند. شما باید سیستم را بر اساس بدترین ماه طراحی کنید، پس از آن در تمام سال انرژی کافی و حتی اضافی در اختیار خواهید داشت. با در اختیار داشتن این اطلاعات و دانستن میانگین نیاز خانه تان، به راحتی می توانید محاسبه کنید که به چه تعداد ماژول فوتو ولتائیک نیاز دارید. همچنین باید در خصوص ولتاژ سیستم هم از همان ابتدا تصمیم گیری کنید. این چیزی است که با تعداد ماژولی که به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند کنترل می شود.

البته در این میان مشکلاتی هم وجود دارند. اول از همه، هنگامی که خورشید نمی تابد باید چه کنیم؟

 

حل مشکلات سیستم تامین نیروی خورشیدی
زندگی کردن بر اساس حدس و گمان های یک هواشناس احتمالا چندان جذاب و خواستنی به نظر نمی رسد. اما شما چند گزینه اصلی دیگر را پیش رو دارید تا هنگامی که خورشید با شما همراهی نمی کند، از تامین انرژی لازم خانه تان اطمینان داشته باشید. اگر می خواهید کاملا ارتباط تان را با شبکه برق قطع کنید، اما به پنل های خورشیدی هم به طور کامل اعتماد ندارید، پس باید یک جانشین هم برای آنها داشته باشید. برای مثال می توانید از یک ژنراتور کوچک (موتور برق خانگی) استفاده کنید تا هنگام کم شدن برق پنل های خورشیدی به کمک تان بیاید. دومین راه حل استفاده از سیستم ذخیره انرژی به شکل باتری است. متاسفانه باتری ها می توانند هزینه و دردسر نگهداری زیادی را به سیستم فوتو ولتائیک وارد کند، اما در حال حاضر آن را می توان یک ضرورت دانست.

یک راه حل دیگر اتصال خانه به شبکه برق شهری است. هنگامی که برق نیاز دارید، آن را می خرید و هنگامی که برق اضافی تولید می کنید آن را می فروشید. با چنین سیستمی شما در واقع از یک سیستم ذخیره بی انتها بهره می برید که هزینه نگهداری چندانی هم ندارد. البته این موضوع بستگی به قوانین و آیین نامه های دولتی و موقعیت مکانی شما هم دارد.

در صورتی هم که تصمیم دارید از باتریها استفاده کنید، به خاطر داشته باشید که باتری به نگهداری و سرکشی دائمی و همچنین جایگزینی دوره ای نیاز دارند. پنل های خورشیدی معمولا عمر ۳۰ ساله دارند، اما عمر باتری ها بسیار کمتر است. از سویی هم به دلیل استفاده از الکترولیت های اسیدی باتری ها به تهویه خوب نیاز داشته و باید از فلزات دور نگه داشته شوند.

 

پیشرفت های تکنولوژی سلول خورشیدی
تا به اینجای کار بیشتر درباره شیوه کارکرد یک سلول خورشیدی یا سیستم فوتو ولتائیک معمولی صحبت کردیم. اما مشکلات و نگرانی ها در زمینه هزینه تمام شده و به صرفه نبودن این سیستم باعث شده که همچنان تحقیقات پایان ناپذیری در خصوص پیدا کردن راه های جدیدی برای مهار انرژی خورشید در جریان باشد تا به آن، امکان رقابت با دیگر منابع انرژی متداول را بدهد.

برای مثال سیلیکون تک-کریستال تنها ماده مورد استفاده در سلول های فوتو ولتائیک نیست. سیلیکون های پلی کریستال هم محصول دیگری هستند که برای کاهش هزینه تولید، مورد استفاده قرار می گیرند. البته سلول های تولیدی به اندازه سیلیکون تک-کریستال بازده ندارند. دومین نسل تکنولوژی سلول خورشیدی را با نام سلول های خورشیدی فیلم-نازک می شناسیم. در این سلول ها راندمان قربانی شده، اما محصول تولیدی ارزان تر از کار در آمده و ساخت آن آسان تر شده است. و در نتیجه به طور کلی بازده بهتر می شود. این نسل جدید از سلول های خورشیدی را می توان از مواد مختلفی تولید کرد. از این مواد می توان به سیلیکون غیر متبلور، ارسنیک گالیوم، ایندیوم مس و تلوریوم کادمیوم اشاره کرد.

یک استراتژی دیگر برای افزایش راندامان استفاده از دو یا چند لایه مختلف مواد با band gap های متفاوت است. به یاد دارید که بسته به ساختار، فوتون های با انرژی های مختلف را می توان جذب کرد. لذا با قرار دادن مواد با band gap بالاتر بر روی سطح می توان فوتون های با انرژی بالا را جذب کرد و فوتون های با انرژی کمتر را توسط لایه های پایین تر و مواد با band gap کمتر جذب کرد. این گونه کارایی و راندمان بسیار بهتر خواهد بود. به چنین سلول هایی، سلول چند تقاطعی می گویند. این سلول ها می توانند بیش از یک میدان الکتریکی داشته باشند.

تکنولوژی فوتو ولتائیک متمرکز یکی دیگر از میادین کاری برای توسعه شیوه دریافت انرژی خورشیدی است. به جای شیوه ساده جمع آوری و تبدیل هر میزان از نور خورشید که به زمین می تابد و تبدیل مستقیم آن به الکتریسیته، در سیستم های فوتو ولتائیک متمرکز، از تجهیزات نوری اضافی همانند لنزها و آیینه ها استفاده می شود تا میزان بیشتری از انرژی خورشید برای راندمان بیشتر بر روی سلول های خورشیدی متمرکز شود. علاوه بر اینکه تولید این سیستم ها گران تر از کار در می آید، آنها برخی مزیت ها هم نسبت به سیستم های مرسوم دارند و همین باعث شده که تحقیقات همچنان بر روی آنها ادامه یابد.

همه این نسخه های مختلف تکنولوژی سلول های خورشیدی توسط شرکت های مختلفی حمایت شده و آنها محصولات مختلفی را بر این پایه تولید می کنند. از هواپیماهای مجهز به پنل های خورشیدی تا ایستگاه های فضایی مجهز به سلول خورشیدی و کاربردهای روزمره ای چون پرده ها، لباس ها و کیس های کامپیوتر مجهز به سلول های فوتو ولتائیک. و حتی محققان همچنان به دنبال کشفیاتی جدید تر همچون سلول های خورشیدی اورگانیک هستند.

هزینه های انرژی خورشیدی
شاید تا اینجا شما هم ایده استفاده از انرژی خورشیدی را در سرتان پرورانده باشید. درست است که نور خورشید رایگان است، اما الکتریسیته تولیدی توسط سیستم های فوتو ولتائیک این گونه نیست. فاکتورهای زیادی در نصب سیستم های فوتو ولتائیک تاثیر دارند که مهم ترین آنها قیمت است.

اولین سوال این است که شما در کجا زندگی می کنید. افرادی که در شهرها و مناطق آفتابی زندگی می کنند، مزیت های بیشتری داشته و انرژی بیشتری هم نسبت به مناطق ابری تولید خواهند کرد. البته قیمت تجهیزات اگر چه در مناطق مختلف متفاوت است، اما در همه جا مهم ترین گزینه است.

اما بگذارید به قیمت بپردازیم. با توجه به قیمت های سال ۲۰۰۹، هزینه راه اندازی پنل های خورشیدی خانگی تقریبا ۸ تا ۱۰ دلار به ازای هر وات است. سیستم های بزرگ تر، هزینه بر وات کمتری دارند. اما این را هم باید به خاطر داشت که تقریبا هیچ سیستم انرژی خورشیدی پوشش ۱۰۰ درصدی را برای تان فراهم نمی آورد. لذا هنوز هم شما باید قبض برق را پرداخت کنید، اما میزان آن بسیار کمتر خواهد شد.

البته سیستم های خورشیدی هنوز راه درازی دارند تا بتوانند با شرکت های توزیع برق رقابت کنند. اما به لطف تحقیقات و بهبود تکنولوژی قیمت ها دائما کاهش می یابند. و روزی خواهد آمد که سیستم های فوتو ولتائیک از نظر قیمت در مناطق شهری به صرفه خواهند شد. یکی از مشکلات کارخانه ها این است که حجم تولید باید بسیار بالا رود تا هزینه ها به صرفه شود. و فعلا چنین درخواستی برای فوتو ولتائیک وجود ندارد و قیمت هنوز به سطح رقابتی نرسیده است. اما جهان روز به روز بیشتر نگران مشکلات زیست محیطی پیش آمده توسط منابع انرژی معمول می شود و توجه بیشتری به انرژی های تجدید پذیر چون نور خورشید دارد. و در اینده این داستان جدی تر هم می شود.

آخرین ویرایش: 4 شهریور 1395 توسط شاپ صنعت

مطالب مرتبط

لطفا به سوال زير پاسخ دهيد ؟ * زمان وارد نمودن سوال امنیتی به پایان رسیده ،لطفا سوال جدید امنیتی را بارگذاری کنید و جواب دهید.

Top