دیودهای بای پس به صورت موازی با سلول‌ها یا پنل‌های خورشیدی بسته شده‌اند تا در حالتی که سلول خورشیدی به مشکل برمی‌خورد یا مدار باز می‌شود مسیری برای عبور جریان وجود داشته باشد.
این کاربرد دیودهای بای پس به دیگر سلول‌ها و پنل‌های خورشیدی اجازه می‌دهد که با تولید ولتاژ کمتری به کارشان ادامه دهند و در صورت از کار افتادن یک پنل همه پنل‌های متصل به آن از مدار خارج نمی‌شود.
دیودهای بای پس به صورت بایاس معکوس بین ترمینال‌های مثبت و منفی سلول‌های خورشیدی قرارگرفته‌اند و تاثیری در خروجی کلی مدار ایجاد نخواهند کرد. در حالت ایده‌آل برای هر یک از سلول‌های خورشیدی یک دیود بای پس در نظر گرفته می‌شود اما این کار می‌تواند هزینه‌بر باشد بنابراین عموماً یک دیود بین گروهی از سلول‌های خورشیدی قرار می‌گیرد.
یک پنل خورشیدی از مجموعه‌ای از سلول‌های خورشیدی ساخته شده و سلول‌های خورشیدی از لایه‌هایی از مواد سیلیکونی ساخته شده‌اند. برای این منظور یک لایه سیلیکون به ماده‌ای تزریق می‌شود که میزان الکترون‌های موجود در آن را بالا ببرد. این لایه، لایه‌ی نوع N نامیده می‌شود. لایه‌ی دیگری نیز به گونه‌ای ساخته می‌شود که دچار کمبود الکترون باشد و تبدیل به لایه‌ی نوع P شود. در واقع همان فرآیندی که برای ساخت دیود و ترانزیستور به کار می‌رود در اینجا نیز کاربرد دارد.
هنگامی که لایه‌های N و P به یکدیگر متصل می‌شوند سلولی حساس به نور به وجود می‌آید که با تابیدن نور بر سطح‌شان ولتاژ تولید خواهند کرد. در حقیقت سلول‌های خورشیدی دیودهای بسیار بزرگی هستند که به نور حساس هستند.
این نوع سلول‌های خورشیدی نور فوتونی که اطراف پیوند PN وجود دارد را به طور مستقیم تبدیل به الکتریسیته می‌کنند و در این امر هیچ گونه بخش مکانیکی و متحرکی دخیل نیست. به این گونه سلول‌ها، سلول‌های PV پی وی (Photovoltic) گفته می‌شود که میزان گرما در تولید الکتریسیته توسط آنها تاثیری نخواهد داشت. جالب است بدانید حتی بیشترین کارایی آنها زمانی رخ خواهد داد که خنک باشند.
هنگامی که سلول‌های PV در معرض تابش نور خورشید یا یک منبع نور شدید قرار می‌گیرند هر یک می‌توانند 0/58 ولت DC برق تولید کنند. همچنین جریان عبوری از آنها به میزان فوتون‌هایی که به آنها تابانده می‌شود بستگی دارد. در سلول‌های PV ولتاژ تولیدی تقریباً ثابت است اما مقدار جریان وابسته به اندازه‌ی سلول و شدت نور است.
مدار مشابه سلول‌های فتوولتاییک در عکس نشان داده شده است. در چنین مداری یک باتری با مقاومت داخلی مشخص که در اینجا با Rinternal نشان داده شده وجود دارد که به دلیل تغییرات در مقاومت داخلی و ولتاژ سلول، جریان عبوری از سلول‌ها با اندازه و ساختار یکسان که به بار مشابه متصل شده‌اند و در مقابل منبع نوری یکسانی قرار گرفته‌اند تغییر می‌کند و شما باید همواره این نکته را در نظر داشته باشید.
لایه‌ی سیلیکونی که در سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک به کار می‌رود و در معرض آفتاب قرار می‌گیرد دارای اتصال‌های الکتریکی است که روکشی کدر دارد. این روکش به جذب نور خورشید کمک شایانی می‌کند و اتصال‌های الکتریکی نیز بین اتصالی بین مواد نیمه‌رسانا و بارالکتریکی خازنی (لامپ یا باتری) به وجود می‌آورند.
هنگامی که نور خورشید به یک سلول PV می‌تابد فوتون‌ها به سطح نیمه‌رسانا برخورد می‌کنند و باعث رهاسازی الکترون‌ها می‌شوند. در فرآیند دوپینگ مواد مخصوصی به ترکیب نیمه‌رسانا اضافه خواهد شد که کمک می‌کند مسیری برای عبور الکترون‌های رها شده ایجاد شود. این مسیر جریانی از الکترون‌ها را به وجود می‌آورد که از سلول عبور می‌کند. نوارهای فلزی که روی سطح سلول‌های فوتوولتاییک تعبیه شده‌اند الکترون ها را به سمت خود جذب می‌کنند و به این وسیله اتصال مثبت سلول را به وجود می‌آورند و در پشت سلول که در معرض تابش نورخورشید قرار نمی‌گیرد لایه‌ای از آلومینیوم یا مولبیدن قرار دارد که اتصال منفی سلول را تشکیل می‌دهد بنابراین پایه‌های مثبت و منفی سلول‌ها به این طریق تعیین می‌شود .
ساختار سلول‌های خورشیدی فتوولتاییک ( PV )
هنگامی که این نوع سلول‌ها در معرض تابش نورخورشید قرار می‌گیرند ، ولتاژ DC تولید می‌شود و اگر هیچ مدار یا مصرف کننده ای به ترمینال های سلول متصل نباشد جریان عبوری از سلول صفر خواهد بود اکثر سلول‌های خورشیدی PV می‌توانند ماکزیمم ولتاژ خروجی شان را در حالت مدار باز به ۰/۵ تا ۰/۶ ولت برسانند که این مقدار خیلی کمتر از ۱/۵ ولتی است که توسط باتری های معمولی تولید می‌شود اما سلول‌های خورشیدی همانند باتری ها می‌توانند برای دستیابی به ولتاژ های بالاتر با یکدیگر سری شوند .
هنگامی که باتری های خورشیدی در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند بر حسب شدت نور جریان تولید می‌کنند ماکزیمم جریانی که می‌تواند توسط یک سلول فتوولتاییک تولید شود جریان اتصال کوتاه (Short-Circuit Current) ISC می‌باشد در این حالت ترمینال های سلول به یکدیگر متصل شده‌اند اما ولتاژ خروجی سلول صفر خواهد بود در‌واقع ولتاژ خروجی سلول تا حد زیادی بستگی به وقاومت مصرف کننده دارد و از ISC تا جریان مدار باز IO (Open-Circuit Current) تغییر پیدا می‌کند .
جریان و توان خروجی سلول‌های PV با شدت نوری که به سطح سلول می‌تابد نسبت مستقیم دارد به عنوان مثال در روزهای ابری و مه گرفته بازده سلول‌های خورشیدی فوق‌العاده پایین می‌آید و در نتیجه جریان خروجی فوق‌العاده پایین خواهد بود اما سلول هنوز قادر است که ولتاژ ماکزیمم را تولید کند به منظور افزایش جریان خروجی باید نور آفتاب به حد قابل ملاحظه ای افزایش یابد .
به هر حال برای تولید جریان ماکزیمم محدودیت‌های فیزیکی وجود خواهد داشت یکی از این محدودیت‌ها اندازه سطح سلول می‌باشد این محدودیت‌ها باعث می‌شود مولفه ای به نام ماکزیمم جریان قابل تولید برای سلول تعریف شود که آن را با IMAX نشان می‌دهند در ضمن مساحت محل پیوند PN در تعیین IMAX نیز نقش اساسی ایفا می‌کند ، همچنین بازده سلول‌های مختلف در تبدیل نیروی خورشید به جریان بر اساس نوع ماده نیمه رسانایی که در آن به کار رفته متفاوت خواهد بود سلول‌های خورشیدی می‌توانند توسط نیمه رساناهای مختلف از قبیل سیلیکون ، گالیوم آرسنید ، کادمیوم سولفید یا کادمیوم تلورید و … ساخته شوند .
بنابراین در هنگام انتخاب دیودهای بای پس برای سلول‌ها یا پنل‌های خورشیدی باید ماکزیمم جریان خروجی IMAX را در نظر داشته باشیم.
دیودها در آرایه های سلول های PV
پیوند PN دیودها مانند شیری عمل می‌کند که آب تنها از یک جهت می‌تواند در آن جریان پیدا کند به عبارتی دیگر دیودها تنها جریان را از یک جهت عبور می دهندکه از این ویژگی می‌توان برای مسدود کردن جریان الکتریکی در بخش‌هایی از مدار سلول‌های خروجی استفاده نمود به همین دلیل به این‌گونه دیودها که در پنل های خورشیدی به کار برده می‌شوند، دیودهای مسدود کننده (Blocking Diode) می‌گویند .
دیودهای بایپس به صورت موازی برای یک یا چند سلول PV استفاده می‌شوند تا از عبور جریان از یک سلول سالم که به خوبی در معض نور آفتاب قرار دارد به یک سلول معیوب یا در سایه قرار گرفته جلوگیری کنند در این شرایط دیود بایپس مسیری جایگزین را برای دور زدن سلول ناکارآمد فراهم می‌کند گفتنی است کاربردهای دیودهای مسدود کننده با دیودهای بایپس متفاوت است .
دیودهای بایپس در پنل های خورشیدی به صورت موازی با سلول‌های خورشیدی بسته می‌شوند تا راه جایگزینی برای عبور جریان به وجود بیاید اما دیودهای مسدود کننده به صورت سری با سلول‌های پنل خورشیدی بسته می‌شوند تا از بازگشت جریان به داخل سلول‌ها جلوگیری کنند بنابراین با وجود اینکه دیودهای مسدود کننده و بایپس به لحاظ ساختاری کاملاً شبیه به یکدیگر هستند کاربردهای متفاوتی دارند و به صورت متفاوتی در مدار قرار می‌گیرند شکل‌های زیر را ببینید .
دیودهای بای پس در آرایه های سلول‌های فتوولتاییک
همان‌طور که پیش از این اشاره شد دیودها المان‌هایی هستند که تنها از یک جهت اجازه عبور جریان را می‌دهند. دیودهایی که در شکل با رنگ سبز مشخص شده‌اند دیودهای بای پس می‌باشند که هر کدام با یک پنل خورشیدی موازی شده‌اند تا مقاومتی پایینی در مسیر ایجاد شود دیودهای بایپس در پنل های خورشیدی و آرایه ها باید قادر باشند که به راحتی این جریان اتصال کوتاه را تحمل کنند .
همچنین دو دیودی که با رنگ قرمز مشخص شده، دیودهای مسدود کننده می‌باشند که با هر شاخه سری هستند دیودهای مسدود کننده به لحاظ فیزیکی همان دیودهای بای پس هستند که به شکلی دیگر در مدار قرار می‌گیرند و برای اهداف متفاوتی از آنها استفاده می‌شود.
دیودهای مسدود کننده، دیودهای سری یا دیودهای ایزوله کننده نیز نامیده می‌شوند که تضمین می‌کنند جریان فقط از یک جهت عبور خواهد کرد ( از مجموعه آرایه به سمت بار خارجی ، کنترل کننده یا باتری ها )
از این دیودها برای جلوگیری از بازگشت جریان تولید شده توسط دیگر سلول‌های موازی که با هم در یک آرایه قرار دارند به شبکه ضعیف‌تر ( آرایه های پنل خورشیدی که آسیب دیده اند یا در سایه قرار گرفته‌اند) استفاده می‌شود در ضمن این دیودها از دشارژ شدن باتری هایی که کاملاً شارژ شده‌اند جلوگیری می‌کند ( در شب سلول‌های خورشیدی قادر به تولید جریان نیستند و اگر باتری به آنها متصل باشد ، بدون وجود دیود مسدود کننده جریان از سمت باتری به سوی پنل های خورشیدی حرکت می‌کند و باتری دشارژ خواهد شد ) بنابراین استفاده از دیود مسدود‌کننده هنگامی که چند پنل خورشیدی به صورت موازی با یکدیگر در مدار قرار گرفته‌اند الزامی خواهد بود ( برای هر شاخه که موازی با شاخه‌های دیگر است یک دیود مسدود کننده نیاز می‌باشد )
به طور کلی، اگر بیش از یک شاخه موازی در مدار وجود داشته باشد یا احتمال برود یکی از آرایه های پنل خورشیدی در طول روز در سایه قرار بگیرد استفاده از دیودهای مسدود کننده ضروری خواهد بود همچنین اندازه و نوع دیودها مسدود کننده بستگی به مشخصات آرایه پنل خورشیدی PV دارد .
دو نوع دیود برای استفاده به عنوان دیودهای بایپس در پنل های خورشیدی در دسترس می‌باشد : دیود سیلیکونی پیوند PN و دیود شاتکی. هر دوی این دیودها در انواع مختلف که می‌توانند جریان های متفاوتی را تحمل کنند ساخته شده‌اند. دیود شاتکی افت ولتاژ بایاس پایین‌تری نسبت به دیود معمولی سیلیکونی دارد. افت ولتاژ در این دیود در حالت بایاس مستقیم تنها ۰/۴ ولت است اما دیودهای پیوندی معمولی افت ولتاژی نزدیک به ۰/۷ ولت دارند .
این افت ولتاژ کمتر از اتلاف انرژی در مدار نیز جلوگیری می‌کند، بنابراین بازده مدار به دلیل کاهش توان تلف شده در دیودهای مسدود کننده افزایش می‌یابد. اکثر سازندگان از هر دو نوع دیود مسدود کننده و بای پس در پنل‌های خورشیدی شان استفاده می‌کنند تا نیازی به اتصال دیودهای خارجی نباشد .
