سامانه فتوولتایی

سامانه های فتوولتایی ( به انگلیسی: Photovoltaic system ) به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از سازوکارهای محرک مکانیکی الکتریسیته تولید کند، فتوولتاییک ( Photovoltaics ) گفته شده و عاملی که این فرایند را به وجود می آورد، سلول خورشیدی ( Solar cell ) نام دارد. سامانه های فتوولتاییک که در ابتدا برای کاربردهای فضایی ابداع و تکمیل شده بودند انرژی نوری را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. اصل مقدماتی در این فناوری اثر فتوالکتریک است که اولین بار به وسیلهٔ اینشتین توضیح داده شده که نور باعث می شود الکترون ها از ماده جدا شوند.
در سال ۱۸۳۹ بکرل ( Becquerel ) ، دانشمند فرانسوی موادی را کشف کرد که در هنگام برخورد نور خورشید با آن ها جرقه تولید می کردند. در دههٔ شصت دانشمندان آزمایشگاه بل برای نخستین بار سیلیکون را در سلول های خورشیدی به کار گرفته و توانستند بازده چهار درصدی تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته را به دست آورند. در طی چند سال این صفحات توانستند توان مورد نیاز ماهواره ها و سفینه ها را تأمین کنند. توسعهٔ PV برای کاربردهای زمینی در زمان اولین بحران نفت در دو جهت خیلی متفاوت آغاز گردید. یکی در جهت فناوری های تمرکزی که در آن کاهش هزینه ها با وسیله جایگزین کردن سطح PV به وسیلهٔ سطح عدسی صورت می گیرد و دیگری در جهت کاهش هزینه های مدول های PV با استفاده از ساخت صنعتی با حجم زیاد است. هدف اصلی در موسسات تحقیقاتی، به دست آوردن بازدهی بالاتر است. سلول های سیلیکونی در حال حاضر به حداکثر بازدهی %۳۰ رسیده اند. با روی هم قرار دادن مواد سیلیکونی و گالیمی ( پایهٔ گالیم ) با سایر مواد نیمه هادی مانند فسفیدایندیم به منظور تشکیل سلول های چند پیوندی ای که هر یک از لایه های آن ها جزء متفاوتی از طیف فرکانسی خورشیدی را جمع آوری می نماید، می توان به ارقام بالاتری برای کارایی نیز رسید.
مکانیزم های فتوولتایی سلول های خورشیدی، کریستال های صافی هستند که از لایه های نازک از جنس نیمه هادی ساخته شده اند که خصایص الکترونیکی متفاوت دارند و این امر موجب پیدایش میدان های الکترونیکی قوی درون آن ها می شود. نحوهٔ عملکرد سلول های خورشیدی ساده است. از آنجایی که سیلیکون توان نگهداری از الکترون هایش را ندارد، سلول ها از دو لایه سیلیکون ساخته شده اند که یکی مازاد الکترون دارد و دیگری کمبود الکترون ( مازاد لایه n و کمبود دار، لایه p نامیده می شود ) هنگامی که نور به لایهٔ اول برخورد می کند، الکترون ها آزاد می شوند و در حالی که به سمت لایه با الکترون کمتر جاری می شوند، از یک مدار الکتریکی می گذرند و تولید الکتریسیته می نمایند. برای حفاظت سلول ها در برابر محیط، سلول های فتوولتایی به یکدیگر متصل شده و به صورت مدول درآورده می شوند. مدول هایی که در روی یک صفحه نصب شده و از زاویه و جهت صحیح برای حداکثر گردآوری فصلی و سالی برخوردارند، پانل یا شبکهٔ PV نامیده می شوند. یک سامانهٔ PV معمولاً شامل باتری های ذخیرهٔ الکتروشیمیایی برای کاربردهای مستقل است.