فتوولتائیک تبدیل مستقیم نور به برق در سطح اتمی است. برخی از مواد خاصیت معروف به اثر فوتوالکتریک را نشان می‌دهند این اثر باعث می‌شود که آن‌ها فوتون‌های نور را جذب کرده و الکترون‌ها را آزاد کنند. هنگامی که این الکترون‌های آزاد به دام می‌افتند، یک جریان الکتریکی حاصل می‌شود که می‌تواند به عنوان برق مورد استفاده قرار گیرد.
اثر فوتوالکتریک اولین بار در سال ۱۸۳۹ توسط یک فیزیکدان فرانسوی ، ادموند بکرل ، مشاهده شد که دریافت برخی از مواد در صورت قرار گرفتن در معرض نور، مقدار کمی جریان الکتریکی تولید می‌کنند. در سال ۱۹۰۵، آلبرت انیشتین ماهیت نور و اثر فوتوالکتریک را که مبتنی بر فناوری فتوولتائیک است توصیف کرد، که بعداً وی در رشته فیزیک جایزه نوبل را به‌دست آورد. اولین ماژول فتوولتائیک توسط آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۵۴ ساخته شد. این ماژول بیشتر صرف کنجکاوی بود زیرا برای استفاده گسترده بسیار گران بود. در دهه ۱۹۶۰ صنعت فضایی نخستین استفاده جدی از این فناوری را برای تأمین نیرو در فضاپیماها انجام داد. از طریق برنامه‌های فضایی، فناوری پیشرفته، قابلیت اطمینان بالا برقرار شد و هزینه‌ها شروع به کاهش کردند. در طول بحران انرژی در دهه ۱۹۷۰، فناوری فتوولتاییک به عنوان منبع قدرت برای برنامه‌های غیر فضایی شناخته شد.
شکل بالا عملکرد یک سلول فتوولتاییک اساسی را که یک سلول خورشیدی نیز نامیده می‌شود، نشان می‌دهد. سلول‌های خورشیدی از همان مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون ساخته می‌شوند که در صنعت میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای سلول‌های خورشیدی، یک ویفر نیمه‌هادی نازک به طور ویژه استفاده می‌شود تا یک میدان الکتریکی ایجاد کند، این ویفر از یک طرف مثبت و از طرف دیگر منفی است. هنگامی که انرژی نور به سلول خورشیدی برخورد می‌کند، الکترون‌ها از اتم‌های موجود در ماده نیمه‌هادی سست می‌شوند. اگر هادی‌های الکتریکی به طرف‌های مثبت و منفی متصل شوند، و یک مدار الکتریکی را تشکیل دهند، الکترون‌ها را می‌توان به صورت جریان الکتریکی، یعنی برق استفاده کرد. این الکتریسیته پس از آن می‌تواند برای تأمین انرژی بار مانند نور یا ابزار مورد استفاده قرار گیرد.
آرایه‌های خورشیدی
تعدادی از سلول‌های خورشیدی که به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل شده و در یک ساختار یا قاب پشتیبانی نصب می‌شوند، یک ماژول فتوولتاییک نامیده می‌شوند. ماژول‌ها برای تأمین برق در یک ولتاژ معین، مانند سیستم مشترک ۱۲ ولت طراحی‌شده‌اند. جریان تولیدشده مستقیماً به میزان نور برخوردی به ماژول بستگی دارد.
برای تشکیل آرایه می‌توان چندین ماژول را به هم وصل کرد. به طور کلی هر چه مساحت ماژول یا یک آرایه بزرگ‌تر باشد ، برق بیشتری تولید می‌شود. ماژول‌ها و آرایه‌های فتوولتاییک جریان مستقیم (DC) را تولید می‌کنند. آن‌ها می‌توانند در هر دو سری و ترتیب الکتریکی موازی به یکدیگر متصل شوند تا هرگونه ولتاژ مورد نیاز و ترکیب جریان تولید شود.
امروزه رایج‌ترین دستگاه‌های PV از یک اتصال یا رابط منفرد برای ایجاد یک میدان الکتریکی در یک نیمه‌هادی مانند یک سلول PV استفاده می‌کنند. در یک سلول پی وی تک اتصالی، فقط فوتون‌هایی که انرژی آن‌ها برابر یا بیشتر از شکاف باند مواد سلولی است می‌توانند یک الکترون را برای یک مدار الکتریکی آزاد کنند. به عبارت دیگر، پاسخ فتوولتاییک سلول‌های تک اتصالی محدود به بخشی از طیف خورشید است که انرژی آن بالاتر از شکاف باند مواد جاذب است و از فوتون‌های با انرژی کمتر استفاده نمی‌شود.
یک راه برای رسیدن به این محدودیت استفاده از دو (یا چند) سلول مختلف با بیش از یک شکاف باند و بیش از یک محل اتصال برای تولید ولتاژ است. به این سلول‌ها “چندمنظوره” (سلول‌های “آبشار” یا “پشتی” نیز گفته می‌شود). دستگاه‌های چندمنظوره می‌توانند به بازده تبدیل بالاتری برسند زیرا می‌توانند بیشتر طیف انرژی نور را به برق تبدیل کنند.
یک دستگاه چندمنظوره یک پشته از سلول‌های یک اتصال جداگانه به ترتیب نزولی از شکاف باند است (به عنوان مثال). سلول بالا فوتون‌های پر انرژی را ضبط می‌کند و بقیه فوتون‌ها را به سلول‌های دارای شکاف پایین باند منتقل می‌کند. بیشتر تحقیقات امروزه در سلول‌های چندمنظوره بر روی گالیم آرسنید به عنوان یکی (یا همه) سلول‌های مؤلفه متمرکز شده است. چنین سلول‌هایی در زیر نور خورشید غلیظ به راندمان حدود ۳۵٪ رسیده‌اند. مواد دیگری که برای دستگاه‌های چندمنظوره مورد بررسی قرارگرفته‌اند سیلیکون بی‌شکل و مس ایندیم دی سولنید هستند.
به عنوان نمونه، دستگاه چندمنظوره از یک سلول بالای گالیم ایندیم فسفید ، “یک اتصال تونلی” استفاده می‌کند تا به جریان الکترون‌ها بین سلول‌ها و یک سلول پایین گالیم آرسنید کمک کند.
دیدگاهتان را بنویسید