الخلايا الشمسية Solar Cell
تاريخياً كان العالم Alexander Emond Becquerel عما 18839 اكتشف اول خلية شمسية لكن من كانت خلية سائلة و كفاءتها ضعيفة ولا تصلح للاستخدام العملي . توالت الاكتشافات بعده لكن لم تكن ذات كفاءة تمكنها من الاستخدام الفعلى حتى جاء العام 1950م وتم اختراع خلية السيليكون بشكلها الآن بواسطة Calvin Fuller, Gerald Pearson and Daryl Chapin في مختبر Bell.
يتكون اللوح الشمس او ما يعرف ب solar module or solar panel من عدد من الخلايا صغير الحجم (كما هو موضح في الصورة اعلاه) , تقوم هذه الخلايا بتحويل الاشعاع الشمسي solar irradiance (الرجوع الى مقال الاشعاع الشمسي هنا ) الساقط عليها الى كهرباء مستمرة .يحتوي اللوح الشمسي التجاري عادة 60 خلية او 72 خلية.
كيفية عمل الخلية الشمسية Solar cell Principal
لشرح كيفية عمل الخلية الشمسية دعونا نتعرف على أشباه الموصلات و خصائصها لنفهم عمل الخلية الشمسية. أشباه الموصلات هي عناصركيميائية مثل السيليكون (رمزه الكيميائي Si) والجرمانيوم(رمزه الكيميائي Ge), تتميز هذه العناصر بانها رديئة التوصيل للكهرباء, اذاً كيف يتم يستخدمها في توليد كهرباء بما انها رديئة التوصيل؟ تتميز هذه العناصر بوجود 4 إلكترونات في غلافها الاخير و طبيعة هذه النوع من العناصر الكيميائية لا يميل لفقد هذه الالكترونات او اكتساب الكترونات للوصول الى الاستقرار الكيميائي(هو وجود 8 الكترونات في المدار الاخير للذرة و تصبح بعدها خاملة لا تتفاعل كيميائيا مع عناصر اخرى). وُجد عند اضافة عنصر اخر ذو تكافوء ثلاثي (يحتوي على 3 الكترونات في المدار الاخير ) مثل عنصر البورون ((رمزه الكيميائي B) تتحد ذرة السيليون مع البورن برابطة تساهمية ويصبح لدينا الكترون حرعند سقوط ضوء على المادة المتكون الجديد يتحرر ذلك الالكترون و يسري عبر الدائرة الكهربائية[1].
عند اضافة مادة ثلاثية التكافوء او خماسية التكافوء للسيليون تسمى هذه العملية بالتشويب او التطعيم doping فعند اضافة البورون (ثلاثي التكافوء) تتكون طبقة تسمى Negative type or N-Type و يصحبها وجود الكترون حر ,و عند اضافة عنصر خماسي التكافوء كالفسفور الى السيليون تتكون فجوة hole او شحنة موجبة Positive charge وو تسمى المادة الجديدة [1] Positive Type or P-Type .
تتكون الخلية الشمسة من ثلاث طبقات رئيسية(الشكل 1) , الطبقة العليا و وتحتوى على السيليون مضاف اليه عنصر البورون مكونيين طبقة تسمى N-Type, الطبقة السفلى و تحتوي على السيليون و عنصر الفسفور مكونيين ما يسمى الطبقة P-Type اما ما بينهما هي الطبقة الوسطى فيشار اليها بالمصطلح NP-Junction بالاشافة للثلاث طبقات السابقة هناك موصلات رفيعة تسمح بمرور التيار الكهربائي المتولد .عند سقوط فوتون على سطح الطبقة N-type يتحرر الالكترون منها و يسري عبر الموصلات الى اللمبة (حمل خارجي) يتحرك ذلك الالكترون حتى يصل الطبقة السفلية للخلية P-type و التي تحتوي على فجوة فيملأ تلك الفجوة و يتحرر الكترون جديد و تتستمر العملية هكذا [1].
شكل (1): مكونات الخلية الشمسية
أنواع خلايا السيليكون
يستخدم عنصر السيليكون في تصنيع الخلايا الكهروضوئية منذ اكتشافها والى الآن , هناك ثلاث انواع خلايا مصنوعة من السيليكون , و مميزاتها و هي كالتالي:
1.أمورفوس Amorphous:
هذا النوع أقل استخداما ولا يتستخدم تجارياً كثيرا و ذلك بسبب ضعف كفاءته حيث تترواح بين 5% الى 7% لذلك فهو رخيص نسبيا , و نجده في الحاسبات الرياضية calculators (الشكل 2)[1].
شكل (2): آلة حاسبة مزودة خلية امورفوس
2. خلايا بولي كريستالين Poly-crystalline
تعرف ايضا اختصارا خلايا بولي و كلمة poly-crystalline or multi-crystalline تعني الخلايا متعددة البلورات و هو مشتق من البنية التركيبية لهذه الخلايا اثناء عملية التصنيع حيث يتم ترسيب السيليكون مكوناً بلورات متعددة و هذا سبب ظهور هذا النوع بمظهر قشاري او متقشر flaky appearance (انظر الشكل 3) و تتراوح كفاءتها بين 15% الى 17% و من حيث التكلفة هي ارخص من النوع مونو كريستالين mono-crystalline و تسمى ايضا خلايا بولي[1].
شكل (3): خلايا بولي كريستالين
3. خلايا مونو كريستالين mono-crystalline
خلايا مونو كريستالين mono-crystalline تعني الخلايا أحادية التبلور او ذات بلورة واحدة حيث عند عملية التصنيع يتم إذابة السيليكون أولا و تكون حبيبات البلور تتجمع حول قضيب (انظر الشكل 4) ثم يبدأ السيليكون يكثر حول القضيب ثم يسحب مكونا شكل أشبه بالمزهرية (انظر الشكل 5) ثم يقطع قطع صغيرة و هو ما تظهر عليه عند زوايا الخلية اما بالشكل الدائري أو بالمستطيل (الشكل 6)و تتميز بمظهر يميل للاسود و شكل مسطح [1] .
تتراوح كفاءة 15% الى 22% , تستخدم تجاريا residential and commercial و في المشاريع الكبيرة utility-scale projects لكنها النوع الاغلى تكلفة من بين الانواع الثلاثة لخلايا السيليكون [1].
شكل (4) : عملية اذابة السيليكون و نموه حول قضيب
شكل (5) : بعد اكتمال تجميع السيليكون حول القضيب
شكل (6) :خلايا بولي كريستالين
------------------------------------------------------------------
المصادر :
[1] www.coursera.org
حقوق الطبع و النشر@ مدونة المعرفة العلمية 2020
إرسال تعليق
اجعل مشاركتك بناءة و احترم وجهات نظر المشاركين الآخرين
مرحبا دائماً بمشاركاتكم لاثراء جو معرفي من أجل تبادل الخبرات