الخلية الشمسية أو الضوئية أو الكهروضوئية جهاز يحول الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية مستغلا التأثير الضوئي الجهدي.
تستخدم التجمعات من الخلايا الشمسية (وحدات الطاقة الشمسية) لالتقاط الطاقة من ضوء الشمس, عندما يتم تجميع وحدات متعددة معاً (حيث تكون أولوية التركيب بنظام تعقب قطبي محمول) يتم تركيب هذه الخلايا الضوئية كوحدة واحدة يتم توجيهها على سطح واحد وتسمى بلوح الطاقة الشمسية (solar panel.).. إن الطاقة الكهربائية الناتجة من الوحدات الضوئية (Solar power). وتعتبر مثالأ على استخدام الطاقة الشمسية(solar energy).. إن الخلايا الكهروضوئية هو مجال التكنولوجيا والبحوث المتعلقة بالتطبيق العملي في إنتاج الكهرباءمن الضوء، لكن وعلى الرغم من ذلك غالبا ما يستعمل على وجه التحديد بالإشارة إلى توليد الكهرباء من ضوء الشمس. توصف الخلايا بالخلايا الضوئية وإن لم يكن مصدر الضوء هو الشمس ومثال ذلك (ضوء المصباح، الضوء الاصطناعي، وغيرها..). وتستخدم الخلايا الكهروضوئية للكشف عن ضوء أو غيره من الإشعاع الكهرومغناطيسي بالقرب من مجموعة ضوئية مرئية، كالكشف عن الأشعة تحت الحمراء، أو قياس شدة الضوء..
تعتمد شدة تيارها علي وقت سطوع الشمس وشدة أشعة الشمس، وكذلك على كفاءة الخلية الضوئية نفسها في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. يمكن لهذه الخلايا الشمسية إعطاء مئات الفولتات من التيار الكهربائي المستمر DC لو وصّلت هذه الخلايا علي التوالي. كما يمكن تخزين الطاقة الناتجة في بطاريات الحامضية المصنوعة من الرصاص أو القاعدية المصنوعة من معدني النيكل والكادميوم. ويمكن تحويل التيار المستمر DC إلي تيار متردد AC بواسطة العاكسات ال Invertor للاستعمال وإدارة الأجهزة الكهربائية المنزلية والصناعية العادية.
من ميزتها أنها ليس بها أجزاء متحركة تتعرض للعطل. لهذا تعمل فوق الأقمار الصناعية بكفاءة عالية، ولاسيما وأنها لاتحتاج لصيانة أو إصلاحات أو وقود, حيث تعمل في صمت, إلا أن اتساخ الخلايا الضوئية نتيجة التلوث أو الغبار يؤدي إلى خفض في كفائتها مما يستدعي تنظيفها على فترات.
أكبر محطة توليد كهرباء تعمل حاليا بالخلايا الشمسية توجد في أسبانيا وقدرتها 23 ميحاوات. ومن المخطط أن يتم بناء أكبر محطة تعمل بالخلايا الشمسية في أستراليا بقدرة 154 ميجاوات. والخلايا الشمسية تعمل في الأقمار الصناعية منذ عام 1960 كما تزود محطة الفضاء الدولية ISS بالتيار الكهربائي.
هناك طريقة أخرى لتحويل الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكهربائية وذلك عن طريق استغلال الحرارة المباشرة لأشعة الشمس أو ما يسمى بتقنية الكهرباء الحرارية الشمسية
Solar thermal electricity
رقائق خلايا شمسية في الفيزياء والكيمياء والطاقة المتجددة (بالإنجليزية:thin-film solar cell) هي خلية شمسية مصنوعة من عدة طبقات من الرقائق التي تعمل بالتأثير الضوء الجهدي لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. ويختلف سمك الطبقات بين عدة نانومترات إلى عشرات ميكرون.
تبتكر مواد تتميز بخاصية التأثير الضوء الجهدي وتختلف طرق ترسيب تلك المواد وتشكيلها في هيئة رقائق يسهل صنعها ويخفض من تكلفتها. وتصنف رقائق الخلايا الشسية بحسب المادة المستخدمة في صناعتها والتي تتميز بخاصية التأثير الضوئي الكهربائي :
نجد الثلاثيات الآتية:
تستخدم رقيقة خلية السيليكون السيليكون اللابلوري والسيليكون البلوري الابتدائي والسيليكون النانوبلوري أو ما يسمى السيليكون الأسود. وتختلف رقائق السيليكون عن الويفر في الصناعات الإلكترونية أو السيليكون أحادي لبلورية أو السليكون متعدد البلورية.
ويتم ترسيب السيليكون على رقائق زجاج أو رقائق بلاستيك أو رقائق معدنية تكون قد سبق طلاؤها بطبقة من الأكسيد الموصل الشفاف.
وتستخدم في العادة بنية من نوع p-i-n عن وصلة n-i-p ، وذلك حيث أن حركة الإلكترونات في وصلة السيليكون الابلوري/والهيدروجين تفوق حركة لفجوات الإلكترونية بين 10 إلى 100 مرة ، مما يعمل على معدل أكبر لحركة الإلكترونات من p إلى n في الوصلة بي إن عن حركة الفجوات من p إلى n.
وهذا معناه أن الطبقة من نوع بي يجب جعلها الطبقة العليا التي تسقط عليها الأشعة حيث تكون شدة الأشعة على أشدها بحيث أن معظم الشحنات المتكونة العابرة للوصلة من الإلكترونات. [3]
تساعد طبقة السيليكون البلوري الصغري على امتطاص طاقة الأشعة في نطاق الاشعة تحت الحمراء وبذلك تزداد كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. ويمكن الحصول على أحسن كفاءة عن طريق الوصلة بين السيليكون اللابلوري والسيليكون البلوري الصغري.
كما تبين أن استخدام السيليكون المتبلور ابتدائيا كطبقة سقوط الأشعة (الطبقة العليا) ]] بزيد من كفاءة الخلية الشمسية التي تهمل بالتأثير الضوئي الجهدي. [4]
كفاءة الخلايا الشمسية ، وتوجد من بينها نوع الرقائق الشمسية (المثلثات المفتوحة المقلوبة). الخلايا الأكثر كفاءة (المثلثات البنفسجية) تكلفتها تتكون من وصلات متعددة ومصنوعة من مواد عالية الثمن وتستغل في الاقمار الصناعية.
تمثل تلك الأنواع من السيليكون ارتباطات تلامسية متداخلة تعمل على تداخل بين مستويات طاقة في فجوات النطاق في المادة وتغيرات في نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل. وتكون كفاءة تلك الأنواع من الخلايا الضوئية أقل عن مثيلتها المصنوعة من السيليكون المتبلورر أو سيليكون الويفر ولكنها أقل تكلفة في تصنيعها وإنتاجها. كما تقل الكفاءة الكمومية للرقائق الشمسية عن كفاءة السيليكون البلوري بسبب قلة عدد الشحنات المتولدة عن امتصاص أحد الفوتونات.
ويحوي اسييون الابلوري على فجوة نطاق أعلى (7 و1 إلكترون فولت) عن فجوة النطاق في السيليكون البلوري (1 و1 إكترون فولت) ، مما يعني أنه يمتص الضوء المرئي بطريقة احسن عن امتصاصه الأشعة تحت الحمراء. ونظرا لامتلاك السيليكون النانوبلوري نفس فجوة النطاق التي تميز السيليكون البلوري فيمكن استغلال السيليكون النانوبلوري والسيليكون الابلوري في طبقات الرقائق وتكوين رقائق من النوعين تتميز بقدرة أكبر في امتصاص الطيف الضوئي بالكامل وبذلك تحسين كفاءة إنتاج التيار الكهربائي في تلك الخلايا الشمسية. تمتص الطبقة العليا من الرقيقة الضوء المرئي وتسمح بمرور الأشعة تحت الحمراء إلى الطبقة السفلى حيث تقوم بامتصاصها طبقة السيليكون النانوبلورية (بلورات تبلغ مقاييسها عدة نانومتر.
وتعمل الصناعة على تطوير مستمر لتحسين عمل رقائق السيليكون. وتبتكر طرق لاصتياد الضوء في السيليكون وانعاكسة داخليا عدة مرات لامتصاصه في الطبقات المختلفة في الرقائق. كما تبتكر طرق للمعالجة الحرارية للرقائق لتعزيز تبلور السيليكون والبحث عن فجوات إلكترونية أنسب لتحويل أشعة الشمس إلى تيار كهربائي.
تركيب رقيقة الخلايا الشمسية على سطح أحد المباني.
توجد الرقائق الشمسية في الأسواق بغرض انشائها على أسطح المنازل والمباني. وهي تتميز عن الأواح الشمسية المعتادة المستخدمة لتحويل أشعة الشمس إلى تيار كهربائي بخفة وزنها وعدم تأثرها بالرياح ، وكنها أعلى ثمنا وكفاءتها أقل.
ولا يزال البحث العلمي في سبيل تطوير رقائق السيليكون وتقنيته أغراض رفع كفاءة استغلال تأثير ضوء جهدي لإنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية ، وهي تتضمن اختيار المواد مناسبة وجعلها نصف شفافة بحيث يمكن استخدامها أيضا كزجاج للنوافذ ، فنستفيد من النوافذ من وجهتين : تلوين النوافذ وتوليد الكهرباء.
تستخدم التجمعات من الخلايا الشمسية (وحدات الطاقة الشمسية) لالتقاط الطاقة من ضوء الشمس, عندما يتم تجميع وحدات متعددة معاً (حيث تكون أولوية التركيب بنظام تعقب قطبي محمول) يتم تركيب هذه الخلايا الضوئية كوحدة واحدة يتم توجيهها على سطح واحد وتسمى بلوح الطاقة الشمسية (solar panel.).. إن الطاقة الكهربائية الناتجة من الوحدات الضوئية (Solar power). وتعتبر مثالأ على استخدام الطاقة الشمسية(solar energy).. إن الخلايا الكهروضوئية هو مجال التكنولوجيا والبحوث المتعلقة بالتطبيق العملي في إنتاج الكهرباءمن الضوء، لكن وعلى الرغم من ذلك غالبا ما يستعمل على وجه التحديد بالإشارة إلى توليد الكهرباء من ضوء الشمس. توصف الخلايا بالخلايا الضوئية وإن لم يكن مصدر الضوء هو الشمس ومثال ذلك (ضوء المصباح، الضوء الاصطناعي، وغيرها..). وتستخدم الخلايا الكهروضوئية للكشف عن ضوء أو غيره من الإشعاع الكهرومغناطيسي بالقرب من مجموعة ضوئية مرئية، كالكشف عن الأشعة تحت الحمراء، أو قياس شدة الضوء..
الفولتية الضوئية (بالإنجليزية: Photovoltaics PV) التي تعرف ب الخلايا الشمسية أوالخلايا الفولتضوئية photovoltaic cells. من خلالها يتم تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء، عن طريق استخدام أشباه الموصلات مثل السليكون الذي يستخرج من الرمل النقي. وبصفة عامة مواد هذه الخلايا إما مادة بلورية سميكة كالسيليكون البلوري Crystalline Silicon أو مادة لابلورية رقيقة كمادة السيلكون اللابلوري (Amorphous Silicon a-Si) و Cadmium (Telluride CdTe)أو (Copper Indium Diselenide CuInSe^2, or CIS) أو مواد مترسبة كطبقات فوق شرائح من شبه الموصلات تتكون من أرسنيد(زرنيخيد) الجاليوم (Gallium Arsenide GaAs).
وتعتبر طاقاتها شكلا من الطاقة المتجددة والنظيفة، لأنه لايسفر عن تشغيلها نفايات ملوثة ولا ضوضاء ولا إشعاعات ولا حتي تحتاج لوقود. لكن كلفتها الابتدائية مرتفعة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى. والخلايا الشمسية تولّد كهرباء مستمرة ومباشرة (كما هو في البطاريات السائلة والجافة العادية).تعتمد شدة تيارها علي وقت سطوع الشمس وشدة أشعة الشمس، وكذلك على كفاءة الخلية الضوئية نفسها في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. يمكن لهذه الخلايا الشمسية إعطاء مئات الفولتات من التيار الكهربائي المستمر DC لو وصّلت هذه الخلايا علي التوالي. كما يمكن تخزين الطاقة الناتجة في بطاريات الحامضية المصنوعة من الرصاص أو القاعدية المصنوعة من معدني النيكل والكادميوم. ويمكن تحويل التيار المستمر DC إلي تيار متردد AC بواسطة العاكسات ال Invertor للاستعمال وإدارة الأجهزة الكهربائية المنزلية والصناعية العادية.
من ميزتها أنها ليس بها أجزاء متحركة تتعرض للعطل. لهذا تعمل فوق الأقمار الصناعية بكفاءة عالية، ولاسيما وأنها لاتحتاج لصيانة أو إصلاحات أو وقود, حيث تعمل في صمت, إلا أن اتساخ الخلايا الضوئية نتيجة التلوث أو الغبار يؤدي إلى خفض في كفائتها مما يستدعي تنظيفها على فترات.
أكبر محطة توليد كهرباء تعمل حاليا بالخلايا الشمسية توجد في أسبانيا وقدرتها 23 ميحاوات. ومن المخطط أن يتم بناء أكبر محطة تعمل بالخلايا الشمسية في أستراليا بقدرة 154 ميجاوات. والخلايا الشمسية تعمل في الأقمار الصناعية منذ عام 1960 كما تزود محطة الفضاء الدولية ISS بالتيار الكهربائي.
هناك طريقة أخرى لتحويل الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكهربائية وذلك عن طريق استغلال الحرارة المباشرة لأشعة الشمس أو ما يسمى بتقنية الكهرباء الحرارية الشمسية
Solar thermal electricity
رقائق خلايا شمسية في الفيزياء والكيمياء والطاقة المتجددة (بالإنجليزية:thin-film solar cell) هي خلية شمسية مصنوعة من عدة طبقات من الرقائق التي تعمل بالتأثير الضوء الجهدي لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. ويختلف سمك الطبقات بين عدة نانومترات إلى عشرات ميكرون.
تبتكر مواد تتميز بخاصية التأثير الضوء الجهدي وتختلف طرق ترسيب تلك المواد وتشكيلها في هيئة رقائق يسهل صنعها ويخفض من تكلفتها. وتصنف رقائق الخلايا الشسية بحسب المادة المستخدمة في صناعتها والتي تتميز بخاصية التأثير الضوئي الكهربائي :
- السيليكون اللابلوري (زجاجي) مثل رقائق السيليكون.
- تيلوريد الكادميوم Cadmium Telluride
- سيلينيد النحاس الجاليوم الإنديوم
- خلايا ضوئية عضوية مثل Dye-sensitized solar cell
مقدمة
ظهرت الرقائق الشمسية أول ما ظهرت في إمداد الأجهزة الحاسبة اليدوية بالمصدر الكهربائي. وأصبحت تستخدم في ألواح شمسية كبيرة تركب على المباني أو على عربات تعمل بالطاقة الشمسية. وتعمل المملكة المتحدة على رفع أنتاجية رقائق الشمسية بنسبة 24% سنويا بين عامي 2009 - 2020 ليصل الإنتاج إلى 22.214 ميجاوات. ومن المتوقع ان تفوق تقنية الرقائق الشمسية الضوئية الجهدية تقنية الخلايا الشمسية التقليدية في إمداد الشبكة الكهربائية بالكهرباء. رقائق السيليكونتستخدم رقيقة خلية السيليكون السيليكون اللابلوري والسيليكون البلوري الابتدائي والسيليكون النانوبلوري أو ما يسمى السيليكون الأسود. وتختلف رقائق السيليكون عن الويفر في الصناعات الإلكترونية أو السيليكون أحادي لبلورية أو السليكون متعدد البلورية.
التصميم والتصنيع
يرسب السيليكون عادة بطريقة الترسيب البخاري الكيميائي للسيلين وغاز الهيدروجين. كما تدرس أمكانية استخدام تقنيات أخرى للترسيب من ضمنها طريقة التناثر sputtering وطريقة السلك الساخن.ويتم ترسيب السيليكون على رقائق زجاج أو رقائق بلاستيك أو رقائق معدنية تكون قد سبق طلاؤها بطبقة من الأكسيد الموصل الشفاف.
وتستخدم في العادة بنية من نوع p-i-n عن وصلة n-i-p ، وذلك حيث أن حركة الإلكترونات في وصلة السيليكون الابلوري/والهيدروجين تفوق حركة لفجوات الإلكترونية بين 10 إلى 100 مرة ، مما يعمل على معدل أكبر لحركة الإلكترونات من p إلى n في الوصلة بي إن عن حركة الفجوات من p إلى n.
وهذا معناه أن الطبقة من نوع بي يجب جعلها الطبقة العليا التي تسقط عليها الأشعة حيث تكون شدة الأشعة على أشدها بحيث أن معظم الشحنات المتكونة العابرة للوصلة من الإلكترونات. [3]
سيليكون بلوري صغري
تجمع تقنية وحدات الرقاق الشمسية بين نوعين من السيليكون : السيليكون اللابلوري (زجاجي التركيب) والسيليكون البلوري الصغري أو مايسمى ميكروبلوري للطبقة العليا والطبقة السفلى في اللوح الشمسي. وتنتخب تلك المادتين بسبب اختلاف قدرتهما على امتصاص اللأشعة الشمسية ويمكن تصنيعهما بنفس التقنية. وتنتج طبقة السيليكون الابلوري 7 و1 إلكترون فولت بينما تنتج طبقة السيليكون الميكروبلوري 1 و1 إلكترون فولت مما يدعم امتصاص طيف]] الكامل لأشعة الشمس ، حيث تمتص طبقة السيليكون الابلوري الاشعة ذات طول موجة قصيرة بينما تتميز طبقة السيليكون البلورية الصغرية بامتصاص الطيف ذو طول موجة طويلة.تساعد طبقة السيليكون البلوري الصغري على امتطاص طاقة الأشعة في نطاق الاشعة تحت الحمراء وبذلك تزداد كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. ويمكن الحصول على أحسن كفاءة عن طريق الوصلة بين السيليكون اللابلوري والسيليكون البلوري الصغري.
كما تبين أن استخدام السيليكون المتبلور ابتدائيا كطبقة سقوط الأشعة (الطبقة العليا) ]] بزيد من كفاءة الخلية الشمسية التي تهمل بالتأثير الضوئي الجهدي. [4]
الكفاءة
.jpg)
.jpg){kind=small}
ويحوي اسييون الابلوري على فجوة نطاق أعلى (7 و1 إلكترون فولت) عن فجوة النطاق في السيليكون البلوري (1 و1 إكترون فولت) ، مما يعني أنه يمتص الضوء المرئي بطريقة احسن عن امتصاصه الأشعة تحت الحمراء. ونظرا لامتلاك السيليكون النانوبلوري نفس فجوة النطاق التي تميز السيليكون البلوري فيمكن استغلال السيليكون النانوبلوري والسيليكون الابلوري في طبقات الرقائق وتكوين رقائق من النوعين تتميز بقدرة أكبر في امتصاص الطيف الضوئي بالكامل وبذلك تحسين كفاءة إنتاج التيار الكهربائي في تلك الخلايا الشمسية. تمتص الطبقة العليا من الرقيقة الضوء المرئي وتسمح بمرور الأشعة تحت الحمراء إلى الطبقة السفلى حيث تقوم بامتصاصها طبقة السيليكون النانوبلورية (بلورات تبلغ مقاييسها عدة نانومتر.
وتعمل الصناعة على تطوير مستمر لتحسين عمل رقائق السيليكون. وتبتكر طرق لاصتياد الضوء في السيليكون وانعاكسة داخليا عدة مرات لامتصاصه في الطبقات المختلفة في الرقائق. كما تبتكر طرق للمعالجة الحرارية للرقائق لتعزيز تبلور السيليكون والبحث عن فجوات إلكترونية أنسب لتحويل أشعة الشمس إلى تيار كهربائي.
وحدات متكاملة من الرقائق الشمسية
ولا يزال البحث العلمي في سبيل تطوير رقائق السيليكون وتقنيته أغراض رفع كفاءة استغلال تأثير ضوء جهدي لإنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية ، وهي تتضمن اختيار المواد مناسبة وجعلها نصف شفافة بحيث يمكن استخدامها أيضا كزجاج للنوافذ ، فنستفيد من النوافذ من وجهتين : تلوين النوافذ وتوليد الكهرباء.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق