الخلايا الشمسية واستخداماتها
- الخلايا الشمسية هي أجهزة يمكنها تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.
- وردا على سؤال: كيف تعمل الخلايا الشمسية؟ نجد أن هذه العملية تحدث من خلال ما يسمى بالتأثير الكهروضوئي ، وتسمى أيضًا الخلية الكهروضوئية.
- تعتبر الخلايا الشمسية أيضًا موردًا أساسيًا للطاقة.
- لأنها لا تحتاج إلى وقود لتوليد الكهرباء أو عدة تفاعلات كيميائية.
- لا تشبه الخلايا الشمسية المولدات أيضًا لأنها لا تحتوي على أجزاء متحركة.
- يمكن العثور على الخلايا الشمسية في العديد من التكوينات الصغيرة المعروفة باسم الألواح الشمسية.
- تستخدم هذه الألواح أيضًا في المنازل كبديل لمصدر تقليدي للطاقة.
- أيضا من المناطق التي تستخدم فيها هذه اللوحات ، مناطق جغرافية نائية.
- نظرًا لصعوبة توفير أي مصدر تقليدي للطاقة فيه ، يتم استخدام الألواح الشمسية.
- يمكن أن تكون الخلايا الشمسية متاحة أيضًا في شكل عدة مجموعات كبيرة تسمى المصفوفات.
- وهي تتكون أيضًا من عدة آلاف من الخلايا الفردية.
- يتم استخدامها لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء وتوزيع تلك الطاقة في المناطق ذات المجمعات السكنية والصناعية والتجارية.
- يتم ذلك باستخدام محطات كهربائية مركزية.
- تُستخدم الخلايا الشمسية أيضًا لتشغيل معظم المركبات والمعدات الفضائية مثل الأقمار الصناعية والمحطات الفضائية.
- لا تستهلك الوقود لأنها مستقرة ولا تتطلب صيانة مستمرة.
- كما أنها تستخدم في صنع الألعاب الإلكترونية وأجهزة الراديو المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة.
تركيب الخلايا الشمسية
- تحتوي الخلايا الشمسية على العديد من مواد أشباه الموصلات مثل فوسفيد الإنديوم والسيليكون وسيلينيد النحاس والإنديوم.
- وهذه المواد ووظيفتها هي تحويل الطاقة الضوئية للشمس إلى طاقة كهربائية يمكن استخدامها.
- كما أنه يحتوي بشكل أساسي على طبقة مضادة للانعكاس لتقليل فقد الضوء.
- تتكون الطبقة المضادة للانعكاس عادة من التنتالوم أو أكسيد السيليكون أو التيتانيوم.
- تتكون على سطح الخلية من ثلاث طبقات رئيسية: الطبقة العليا الموصلة والطبقة الماصة والطبقة الخلفية.
- بالإضافة إلى الخلية التي تحتوي على طبقتين كهربائيتين سالبة وموجبة ، فإن الطبقة السالبة هي طبقة التلامس الكهربائية الخلفية.
- تتكون هذه الطبقة من السيليكون النقي الذي تمت إضافة بعض شوائب العناصر الخماسية التكافؤ إليه مثل الفوسفور.
- أما الطبقة الموجبة فهي طبقة التلامس الكهربائي وهي موجودة على سطح الخلية وتتكون من رقاقة مأخوذة من بلورات أحادية من السيليكون.
- بالإضافة إلى ذلك ، تمت إضافة بعض الشوائب ثلاثية التكافؤ مثل البورون إليها.
- تعمل كلتا الطبقتين معًا لنقل التيار الكهربائي من وإلى الخلية الشمسية.
كيف تعمل الخلايا الشمسية
لمعرفة كيفية عمل الخلايا الشمسية ، نحتاج إلى معرفة كيفية تعامل الخلايا الشمسية مع الأشعة الضوئية مثل:
- تتمثل وظيفة الخلايا الشمسية في تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.
- تتم هذه العملية أيضًا من خلال تأثير أشعة الشمس على الخلايا الشمسية.
- تلتقط الطبقة المضادة للانعكاس التي تحدثنا عنها الضوء الساقط بشكل فعال من خلال تحسين انتقاله إلى طبقات أخرى.
- عندما تتعرض الصفيحة السالبة لأشعة الشمس ، تنتقل طاقة الفوتون إلى الإلكترونات في منطقة التكافؤ.
- من خلال هذه الطريقة ، هذه الطاقة قادرة على الانتقال إلى المنطقة الموصلة الموجودة في الشريحة السلبية.
- تنتقل الفجوات الموجبة أيضًا إلى المنطقة الموصلة للشريحة الموجبة.
- ينتج عن هذا فرق محتمل بين سطحين من الوصلة المزدوجة ويمكن توصيل السطحين بواسطة موصل كهربائي.
- هذا من أجل الحصول على تيار كهربائي في دائرة كهربائية حيث تنتقل الإلكترونات من الاتصال السالب إلى التوصيل الموجب في الدائرة الكهربائية.
- من خلال هذه العملية ، نحن قادرون على تحويل الطاقة الضوئية من أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية.
تطور الخلايا الشمسية عبر التاريخ
- عمل العالم بيكريل على دراسة تأثير الضوء على المعادن عام 1839.
- لاحظ العالم بيكريل التأثير الكهروضوئي على هذه المعادن ، ثم أظهر آدم وسميث لأول مرة مفهوم الموصل الكهروضوئي في عام 1877.
- في عام 1883 ، تمكن العالم فريتز من تركيب أول خلية شمسية مصنوعة من السيلينيوم.
- سمحت التطورات التي صاحبت نظريات ميكانيكا الكم للعلماء بشرح الظواهر المتعلقة بالكهرباء الضوئية.
- كما أوضحنا ، فإن ظاهرة الحساسية للضوء لعدة مواد مثل أكسيد النحاس والسيليكون وكبريتيد الثاليوم وكبريتيد الرصاص.
- في عام 1941 ، تم إنشاء أول خلية شمسية من السيليكون بكفاءة تشغيلية تقل عن 1٪.
- في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي ، تم إنتاج بطارية شمسية بكفاءة 6٪.
- ساهم التوسع في البحث المتعلق بتطوير العلوم الفيزيائية ودراسة التبادلات الكهروضوئية والكهربائية في تطوير صناعة الخلايا الشمسية.
- بالإضافة إلى خفض التكاليف ، أدى هذا التطور إلى زيادة كفاءة الخلايا السامة.
- استمر نمو الخلايا الشمسية وتطورها في السبعينيات والثمانينيات بفضل علوم البنية الدقيقة لأشباه الموصلات.
- خلال هذه الفترة ، تحولت الخلايا الشمسية إلى أكثر الطرق العلمية طموحًا لإنتاج الكهرباء.
- بالإضافة إلى إنتاج هذه الطاقة من خلال مصدر طاقة متجددة وهي طاقة ضوئية من الشمس.