معلومات عن الخلايا الشمسية

الخلية الشمسية هي جهاز إلكتروني يحول

ضوء الشمس

مباشرة إلى كهرباء، ينتج الضوء الساطع على الخلية الشمسية كلاً من التيار والجهد لتوليد الطاقة الكهربائية، وتتطلب هذه العملية أولاً مادة يرفع فيها امتصاص الضوء الإلكترون إلى حالة طاقة أعلى، وثانيًاً حركة هذا الإلكترون ذو الطاقة الأعلى من الخلية الشمسية إلى دائرة خارجية، ثم يبدد الإلكترون طاقته في

الدائرة

الخارجية ويعود إلى الخلية الشمسية، ويمكن أن تفي مجموعة متنوعة من المواد والعمليات بمتطلبات تحويل الطاقة الكهروضوئية، ولكن عملياً تستخدم جميع عمليات تحويل الطاقة الكهروضوئية تقريباً مواد شبه موصلة في شكل تقاطع pn، ومن الممكن

صناعة الخلايا الشمسية

بسهولة.

أنواع الخلايا الشمسية

يمكن تقسيم الخلايا الشمسية إلى ثلاثة أنواع عريضة، الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون البلوري والتطور الأحدث الذي يتكون من مزيج من النوعين الآخرين.

خلايا السيليكون البلورية

حوالي 90 % من الخلايا الشمسية مصنوعة من رقائق السيليكون البلورية (c-Si) التي يتم تقطيعها من سبائك كبيرة تزرع في المختبرات، تستغرق هذه السبائك ما يصل إلى شهر لتنمو ويمكن أن تأخذ شكل بلورات مفردة أو متعددة، تُستخدم البلورات المفردة لإنشاء ألواح وخلايا شمسية أحادية البلورية (أحادية Si)، بينما تُستخدم بلورات متعددة للألواح والخلايا متعددة الكريستالات (متعدد Si أو بولي سي سي).

تستخدم هذه الخلايا الشمسية سبيكة من النوع n، والتي يتم تصنيعها عن طريق تسخين قطع السيليكون بكميات صغيرة من الفوسفور أو الأنتيمون أو الزرنيخ كمشوب، يقترن السبيكة من النوع n بطبقة من السيليكون من النوع p، والتي تستخدم البورون كمشوب، يتم دمج السبائك من النوع n و p لإنشاء تقاطع في عملية تم ابتكارها لأول مرة في عام 1954.

تتمتع الخلايا أحادية البلورية بمظهر مميز وغالباً ما تكون ملونة وتميل إلى أن يكون لها شكل أسطواني، يتم تقطيع هذه الخلايا إلى أشكال يمكن أن تكون مهدرة، ولكنها توفر أعلى مستويات الكفاءة، لا تحتاج الخلايا متعددة الكريستالات إلى القطع لتشكيلها حيث يتم صهر السيليكون وصبه في قوالب مربعة، يُنظر إلى الألواح الشمسية متعددة الكريستالات على أنها خيار متوسط المدى من حيث السعر والكفاءة.

الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

تتكون خلايا السيليكون البلورية من رقائق بعمق جزء صغير من ملليمتر (حوالي 200 ميكرومتر، 200 ميكرومتر)، ومع ذلك فإن الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، والتي تسمى أيضاً الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة، أرق بحوالي 100 مرة، هذه الألواح والخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة مصنوعة من السيليكون غير المتبلور (a-Si)، حيث يتم ترتيب الذرات بشكل عشوائي وليس في بنية بلورية مرتبة، يمكن أيضاً تصنيع هذه الأفلام من الكادميوم تيلورايد (Cd-Te) أو نحاس الإنديوم الغاليوم ديسلينيد (CIGS) أو المواد الكهروضوئية العضوية.

يتم إنتاج هذه الخلايا عن طريق وضع طبقات من الخلايا الكهروضوئية لإنشاء وحدة وهي الخيار الأرخص لإنتاج الألواح الشمسية، يمكن تصفيح الخلايا على النوافذ والمناور وبلاط الأسقف وغيرها من الركائز، بما في ذلك

الزجاج

والمعادن والبوليمرات، ومع ذلك على الرغم من هذه المرونة فهي ليست فعالة مثل خلايا السيليكون البلورية العادية، حيث يمكن لخلايا السيليكون البلورية أن تنتج كفاءة بنسبة 20%، فإن هذه الخلايا ذات الأغشية الرقيقة تصل فقط إلى حوالي 7% من الكفاءة، حتى أفضل خلايا CIGS بالكاد تصل إلى 12% من الكفاءة.

الجيل الثالث من الخلايا الشمسية

تجمع أحدث تقنيات الخلايا الشمسية بين أفضل ميزات السيليكون البلوري والخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة لتوفير كفاءة عالية وعملية محسّنة للاستخدام، تميل إلى أن تكون مصنوعة من السيليكون غير المتبلور أو البوليمرات العضوية أو بلورات البيروفسكايت، وتتميز بوصلات متعددة تتكون من طبقات من مواد شبه موصلة مختلفة، هذه الخلايا لديها القدرة على أن تكون أرخص وأكثر كفاءة وعملية من الأنواع الأخرى من الخلايا، وقد ثبت أنها قادرة على تحقيق حوالي 30% من الكفاءة (باستخدام خلية شمسية ترادفية من البيروفسكايت والسيليكون).[3]

معلومات عن الخلايا الكهروضوئية

الخلايا الكهروضوئية هي التحويل المباشر للضوء إلى كهرباء على المستوى الذري، حيث تُظهر بعض المواد خاصية التأثير الكهروضوئي والتي تجعلها تمتص فوتونات الضوء وتحرر الإلكترونات، وعندما يتم التقاط الإلكترونات الحرة ينتج تيار كهربائي يمكن استخدامه ككهرباء، وتختلف

أنواع الخلايا الكهروضوئية

وتنقسم إلى 3 أنواع.

مبدأ عمل الخلايا الكهروضوئية لتوليد الكهرباء

تقوم الخلايا الشمسية بتحويل

الطاقة الشمسية

إلى طاقة كهربائية، حيث تحتوي الخلايا الشمسية على مادة مثل السيليكون تمتص الطاقة الضوئية، تعمل الطاقة على إرخاء الإلكترونات بحيث يمكن أن تتدفق بحرية وتنتج فرقًا في طاقة الجهد الكهربي أو الجهد، ينتج عن تدفق الإلكترونات أو الشحنة السالبة تياراً كهربائياً، للخلايا الشمسية جهات اتصال إيجابية وسلبية مثل أطراف البطارية، إذا كانت جهات الاتصال متصلة بسلك موصل، فإن التيار يتدفق من السالب إلى الاتصال الإيجابي.[4]

ما هو الفرق بين الخلايا الشمسية والخلايا الكهروضوئية

كثير من الناس لا يعرفون الفرق بين الخلايا الكهروضوئية والشمسية، على الرغم من استخدامهما بالتبادل على نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، إلا أن هذين النوعين مختلفان تماماً، ويكمن الفرق بينهم في توضيح الفرق الوظيفي لكل منهم:

دور الخلايا الكهروضوئية

للخلايا الكهروضوئية دور هام في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تنتج الخلايا الشمسية

الكهرباء

من خلال التأثير الكهروضوئي، حيث يولد ضوء الشمس الكهرباء في مواد معينة عن طريق تفكيك إلكتروناتها الخارجية، ويمكن تصنيع الخلايا الكهروضوئية من مادة أحادية البلورية أو متعددة الكريستالات، دون الحاجة إلى التعمق في التقنية، وتتكون من عدة طبقات، أهمها اثنان من أشباه الموصلات في المركز.

الجزء العلوي من أشباه الموصلات عبارة عن طبقة سالبة، حيث تحتوي ذرات المادة على إلكترونات إضافية تحمل

شحنة

سالبة، في المقابل فإن شبه الموصل السفلي عبارة عن طبقة موجبة حيث أن ذرات المادة تفتقد للإلكترونات.

عندما يصطدم ضوء الشمس بأعلى أشباه الموصلات تصبح الإلكترونات السائبة متحمسة، وتتفكك ثم تنجذب إلى الطبقة الموجبة تحتها، يتشكل حاجز بين الطبقتين حيث تجبر الموصلات على كلا الطبقتين الإلكترونات على

السفر

حول الخلية مما ينتج عنه تيار كهربائي، تقوم الموصلات بعد ذلك بإجبار هذا التيار خارج الخلية إلى حمل كهربائي، والذي يلتقط الطاقة التي أنتجتها خليتك الكهروضوئية، تعود الإلكترونات في النهاية إلى الخلية وتتكرر العملية.

دور الخلايا الشمسية

نظراً لأن الخلايا الكهروضوئية تولد كمية محدودة فقط من الطاقة، لذلك يتم توصيل العديد من الخلايا لإنشاء لوحة شمسية، بالعمل معاً تولد الخلايا الشمسية المتعددة تيارات أعلى وبالتالي المزيد من الطاقة، بالإضافة إلى ذلك من خلال إحكام غلق عدة خلايا معاً تعمل اللوحة كحافظة واقية لتواجد الخلايا فيها وهذا يعني أن خلاياك الشمسية أقل عرضة للتلف بسبب العوامل الخارجية بما في ذلك الطقس شديد البرودة.

يتم بعد ذلك توجيه الكهرباء التي تولدها الألواح الشمسية إلى العاكس المركزي أو العاكس الصغير، اعتماداً على إعداد نظامك حيث يتم تحويلها إلى كهرباء تيار متردد يمكن أن يستخدمها منزلك و أجهزتك، ويعتمد عدد الخلايا في لوحتك على العلامة التجارية المحددة والحجم الذي تختاره، على الرغم من شيوع 60 و 72 خلية في لوحة واحدة.[2]

النظام الكهروضوئي ككل

تعد الخلايا والألواح الكهروضوئية أجزاء متكاملة ومترابطة بشكل وثيق من نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تعد الخلايا الكهروضوئية المكون الرئيسي الذي يتكون منه الألواح الشمسية، بينما تعد الألواح الشمسية مكوناً حيوياً يتكون من النظام الشمسي، في حين أن خلية كهروضوئية واحدة قادرة على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بمفردها فإن اللوحة ضرورية لدمج وتوجيه خرج الطاقة من العديد من الخلايا إلى العاكس والمنزل.[1]