افزایش نیاز بشر به انرژی و در مقابل کاهش میزان منابع انرژی متداول در زمین انسانها را مجبور به آن ساخته تا منابع جدید جایگزینی برای تامین انرژی بیابد. در میان منابع جدید انرژی می توان گفت انرژی خورشیدی جایگاه ویژه تری دارد. سلول های خورشیدی از جمله تجهیزاتی هستند که قابلیت جذب انرژی خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی را دارند.

   در ابتدای بوجود آمدن پنل های خورشیدی، بدلیل قیمت بالای آن ها و پایین بودن راندمانشان مورد استقبال قرار نگرفتند. اما با مرور زمان با توجه به تغییرات عمده در راندمان و هزینه ساختشان، رفته رفته در میان صنعتگران جایگاه خود را تثبیت کردند.

   انواع مختلف سلول های خورشیدی نسل جدید و پیشرفته را به صورت زیر می توان دسته بندی کرد:

انواع سلول های خورشیدی پیشرفته

   سلول های خورشیدی پیشرفته، شامل سلول های خورشیدی آلی (Organic solar cells) ، سلول های خورشیدی حاوی نقاط حساس کوانتومی (Quantum dot-sensitized solar cells: QDSSC) و سلول های خورشیدی حساس به نور (dye- sensitized solar cells: DSSC) هستند.

1.سلول های خورشیدی آلی

   استفاده از موادی آلی با ویژگی های هدایتی و نیمه هدایتی همزمان، پیشرفت شایانی در زمینه کاهش قیمت سلول های خورشیدی ایجاد کرد. حسن بالای سلول های آلی، امکان تولید سلول های خورشیدی با استفاده از تکنولوژی های فاز محلول است که امکان تولید ارزان و با ظرفیت بالا را فراهم می کند. سهولت و سرعت ساخت سلول های خورشیدی آلی با سایر انواع سلول های خورشیدی قابل قیاس نیست. علاوه بر این، نیمه هادی های آلی، راندمان جذب قابل ملاحظه ای دارند که امکان استفاده از یک لایه نازک و در عین حال جذب قسمت عمده طیف خورشیدی را فراهم می کند. کاهش مواد اولیه مصرفی و روش های کم هزینه تولید باعث افزایش اهمیت سلول های خورشیدی آلی شده است، اگرچه راندمان این سلول ها فقط حدود 10% است. با توجه به ارتقاء سریع راندمان به ویژه در سال های اخیر، افزایش راندمان در آینده ای نه چندان دور انتظار می رود.

2.سلول های خورشیدی حساس به رنگ

   از جمله جذاب ترین انواع سلول های خورشیدی آلی، می توان به سلول های خورشیدی حساس به رنگ اشاره کرد که با استفاده از ترکیبات ارزان و غیر سمی و در طیف وسیعی از رنگ و شفافیت تولید می شود. وزن محدود و انعطاف پذیری این نوع سل استفاده از آن در وسایل پرتابل را مقدور می کند. علاوه بر این کاهش نور و افزایش دما تأثیر کمتری بر راندمان این سلول ها دارد.

ساختار سلول های خورشیدی حساس به نوردر شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1- ساختار سل خورشیدی حساس به رنگ . 1) مواد هادی، 2) TiO₂، 3)لایه رنگ، 4) الکترولیت، 5) لایه کاتالیستی

   ساختار این سلول ها شامل فتو الکترود (PE: Photo electrode)، کانتر الکترود (CE: Counter electrode) و الکترولیت است.

   فتو الکترود شامل یک لایه نانوکریستالی نیمه هادیTiO₂ است که روی یک ماده با سطح رسانا (به طور معمول شیشه پوشش داده شده با اکسید هادی شفاف) رسوب داده شده است. لایه TiO₂ به وسیله رنگ که یک لایه جاذب ایجاد می کند، حساس شده است. به محض تحریک مولکول رنگ به وسیله یک فوتون، الکترون به باند هدایت TiO₂ تزریق می شود. سیکل خارجی شکل 2، نمایشگر نحوه حرکت الکترون است.

   کانتر الکترود نیز شامل یک لایه کاتالیستی از پلاتین یا کربن است که روی یک ماده هادی دیگر ته نشین شده است. فاصله بین الکترود کانتر و فتو الکترود با الکترولیت پر شده است که بازگشت الکترون از الکترود کانتر به فتو الکترود را فراهم می کند. مولکول رنگ تحریک شده ضمن دریافت الکترون یون های ید موجود در الکترولیت به وضعیت عادی باز می گردد.

   در سلول خورشیدی حساس به رنگ، دو فرآیندی که در سل های قدیمی سیلیکونی توسط سیلیکون انجام می شد تفکیک شده اند. در پیل های قدیمی سیلیکون هم به عنوان منبع فوتوالکترون به کار می رود و هم میدان الکتریکی لازم برای جداسازی بارها و ایجاد جریان را تولید می کند. در سلول خورشیدی حساس به رنگ، نیم رسانا تنها برای انتقال بار به کار می رود و فوتوالکترون ها به وسیله یک ماده رنگی حساس به نور فراهم می شوند. مولکول های ماده رنگی بسیار کوچک هستند و برای جذب میزان قابل توجهی از نور خورشید از ماده ای دیگر به عنوان پایه برای نگه داشتن تعداد زیادی از مولکولهای ماده رنگی در یک ساختار سه بعدی استفاده می شود. معمولا ماده نیم رسانا این نقش را نیز ایفا می کند.

   از زمان ساخت این نوع سل توسط گراتزل (Grätzel) و ارگان (O’Regan) در سال 1991، تلاش های زیادی برای افزایش کارایی این نوع از سلول ها صورت گرفته است که به عنوان نمونه می توان به کاربرد دو رنگ و یا استفاده از رنگ هایی با حداکثر حساسیت اشاره کرد. با این وجود، توسعه این سلول ها در ده سال اخیر تنها منجر به راندمان حدود 12% شده است. برای غلبه بر راندمان محدود، نیمه هادی های معدنی مبتنی بر نقاط کوانتومی به عنوان نسل جدید مواد حساس به نور مورد استفاده قرار گرفت.

3.سلول های خورشیدی حاوی نقاط کوانتومی

   سلول های خورشیدی ترکیبی آلی- معدنی، از طریق ترکیب پلیمرهای آلی و نانو اجزاء معدنی، با هدف ترکیب ویژگی های مثبت این دو نوع سل تولید می شود. تولید و عملکرد این سلول ها، مشابه سلول های آلی است، با این تفاوت که مواد آلی پذیرنده الکترون این سلول ها با اجزاء معدنی جایگزین شده اند. بدین صورت که نقاط کوانتومی در ماتریکس پلیمری پراکنده شده اند یا اینکه به صورت پیچیده تری نانو اجزاء با شکلهای مختلف مانند نانو میله ها با پلیمر مخلوط شده اند (شکل 2).

   سلول های ترکیبی شامل یک لایه فعال در برابر نور مانند سیلیکون، تعبیه شده بین دو الکترود متمایز است که بر سطح یک ماده شفاف مانند شیشه یا پت نشانیده شده است. آند شامل یک لایه اکسیدی نیمه شفاف، به طور معمول از جنس اکسید قلع- ایندیوم است و نقش آن اجازه عبور نور است. لایه ای از مخلوط پلیمری هادی بین آند و لایه فعال در برابر نور قرار می گیرد.

   لازم به ذکر است که مدول های تجاری حاوی فیلم نازک سیلیکون روی شیشه بر پایه کاربرد سیلیکون غیر متبلور و یا ترکیبی از سیلیکون غیر متبلور و سیلیکون میکرو بلورین است که حداکثر راندمان آن در صورت استفاده از سیلیکون غیر متبلور، 1/10% و در صورت کاربرد ترکیبی از سیلیکون غیر متبلور و سیلیکون میکرو بلورین، 4/13% است .

شکل 2. شماتیک سل خورشیدی ترکیبی با استفاده از ساختار نانو میله های منظم ZnO به عنوان پذیرنده الکترون. ماده هادی یک ماتریس پلیمری مزدوج است.

   استفاده از مواد معدنی پذیرنده الکترون، نه تنها باعث محدود ماندن هزینه سلول های خورشیدی می شود، بلکه مزیت هایی نیز برای سیستم دارد. اولاً این مواد پایداری زیست محیطی بیشتری در مقایسه با مواد آلی دارند که ناشی از عدم تجزیه نیمه هادی تحت تأثیر نور خورشید است. ثانیا ایجاد کوانتوم در نتیجه بهبود سایز و شکل نانو اجزاء معدنی، شکاف باند و به تبع آن پروفایل جذب نانو اجزاء را دگرگون می کند. ثالثا نقاط کوانتومی نسبت به نیمه هادی های آلی انتقال بار بسیار سریع تری تحت تأثیر نور دارند و حتی قادر به تولید تعداد بیشتر الکترون در هنگام جذب فوتون نور هستند که باعث می شود انتقال بار پر بازدهی بین دهنده و پذیرنده الکترون صورت گیرد و حتی دستیابی به مقدار حدی شاکلی-کوییزر ممکن شود.
   علاوه بر این ابعاد فیزیکی بعضی از نیمه هادی های معدنی، ضمن سنتز به صورت نانو ساختارهای عمودی هم تراز در می آید. این مزایا در شرایطی حاصل می شود که تولید در فاز مایع صورت می گیرد و ویژگی هایی مانند ظرفیت بالا و هزینه محدود تولید، حفظ می شود. البته با وجود محاسن تئوری که برای پذیرنده های الکترون معدنی ذکر شد، هنوز راندمان سلول های ترکیبی در مقایسه با سلول های آلی کمتر است که این موضوع به شیمی سطح نانو ساختار و شکل نانویی لایه فعال بر می گردد.