أنواع الخلايا الكهروضوئية .. وكيفية عملها

كتابة: شيرين السيد آخر تحديث: 19 نوفمبر 2021 , 17:24

ما هي الخلية الكهروضوئية

الخلية الكهروضوئية عبارة عن صمام ثنائي متخصص من أشباه الموصلات ويقوم بتحويل الضوء المرئي إلى تيار مباشر، وتعد الخلايا الكهروضوئية جزء من أنظمة الطاقة الشمسية والكهربائية، وهي حيوية في إنتاج الكهرباء ومع ذلك لا يمكن للخلية الكهروضوئية بمفردها إنتاج طاقة متجددة كافية لمنزل بالكامل، لذلك نحتاج إلى توصيل عدة خلايا شمسية معًا لإنشاء لوحة شمسية وظيفية،  ويجب تركيب مجموعة كاملة من الألواح الشمسية لإنتاج طاقة كافية لمنزل سكني.[1]

أنواع الخلايا الكهروضوئية 

هناك نوعان رئيسيان من الخلايا الكهروضوئية المستخدمة اليوم: أحادية البلورية وخلايا متعددة البلورات، كما أن هناك طرق أخرى لجعل الخلايا الكهروضوئية على سبيل المثال خلايا الأغشية الرقيقة، خلايا العضوية، أو بيروفسكايت، فيما يلي نتعرف عليهم بالتفصيل:

  • خلايا السليكون الكهروضوئية (أحادية البلورة ومتعددة الكريستالات)

تتكون الخلية الكهروضوئية أحادية البلورية من بلورة واحدة من عنصر  السيليكون، ويتم تصنيع الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون متعدد الكريستالات عن طريق إذابة العديد من شظايا بلورات السيليكون معًا وهذا يؤدي إلى اثنين من الفوارق الرئيسية بين الخلايا الأحادية والخلايا المتعددة من حيث الكفاءة، الخلايا الشمسية أحادية البلورية أعلى من نظيراتها متعددة البلورات، ويرجع ذلك إلى استخدام بلورة واحدة من السيليكون ، مما يؤدي إلى تدفق أسهل للإلكترونات المتولدة من خلال التأثير الكهروضوئي، كما تحتوي الخلايا متعددة البلورات على شظايا من السيليكون محاذاة في العديد من الاتجاهات المختلفة مما يجعل تدفق الكهرباء أكثر صعوبة، ومع ذلك فإن الألواح الشمسية المصنوعة من الخلايا الشمسية متعددة الكريستالات عادة ما تكون أقل تكلفة من الخيارات أحادية البلورة، وذلك لأن عملية التصنيع لخلية متعددة البلورات أبسط وتتطلب عمليات متخصصة أقل.

  • الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة

الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة هي خلايا شمسية أنحف وأخف وزنًا وغالبًا ما تكون مرنة بالرغم من أنها تظل متينة، وهناك أربعة مواد شائعة تُستخدم لصنع الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة: الكادميوم تيلورايد (CdTe)، السيليكون غير المتبلور (a-Si)، سيلينيد النحاس الإنديوم الغاليوم (CIGS)، وأرسينيد الغاليوم (GaAs).

لا تحظى الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة بشعبية كبيرة مثل خيارات السيليكون البلورية التقليدية للتركيبات السكنية والتجارية، و تظل الألواح ذات الأغشية الرقيقة خلف ألواح السيليكون بكفاءة، ويعني ذلك أنها لن تكون قادرة على إنتاج ما يكفي من الكهرباء من خيارات الأغشية الرقيقة في معظم المنازل والشركات، ومع ذلك قامت بعض الشركات ببناء أعمال كاملة على صناعة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من أجل المرافق الكبيرة والمنشآت الشمسية للشركات بشكل أساسي.

  • الخلايا الكهروضوئية العضوية

الألواح الشمسية المصنوعة من الخلايا الشمسية العضوية ليست قابلة للتطبيق تجاريًا ولكنها لها نفس فوائد الألواح ذات الأغشية الرقيقة، ويكون أهم عناصر الاختلاف في الخلايا الشمسية العضوية هو تكوينها: في حين أن الألواح الشمسية التقليدية والرقيقة مصنوعة من السيليكون.

بينما تكون الخلايا الشمسية العضوية مصنوعة من مواد قائمة على الكربون، ولذلك يشار إليها باسم “الخلايا الشمسية البلاستيكية” أو “الخلايا الشمسية البوليمرية”، وتتميز الخلايا الشمسية العضوية بالمرونة والمتانة ويمكن أن تكون شفافة. 

  • خلايا بيروفسكايت الكهروضوئية 

“البيروفسكايت” هي مادة يكون لها نفس التركيبات البلورية لمركب أكسيد التيتانيوم ومركب الكالسيوم وهي عبارة عن مادة شبه موصلة وتشبه إلى السيليكون، تستخدم خلايا البيروفسكايت الشمسية مادة من صنع الإنسان قائمة على أكسيد التيتانيوم والكالسيوم لإنشاء نوع آخر من الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.

مثل الخلايا الشمسية العضوية لا توفر البيروفسكايت بشكل كبير  حتى الآن، ومع ذلك فإن تكاليف الإنتاج المنخفضة والكفاءات المحتملة العالية تجعلها خيارًا مثيرًا للاهتمام حيث تستمر صناعة الطاقة الشمسية في التوسع وتطوير خيارات أفضل وأفضل لإنتاج الطاقة الشمسية.

كيف تعمل الخلايا الكهروضوئية 

تولد الخلايا الشمسية الكهروضوئية الكهرباء عن طريق امتصاص ضوء الشمس واستخدام تلك الطاقة الضوئية لتوليد تيار كهربائي، ويوجد العديد من الخلايا الكهروضوئية داخل لوحة شمسية واحدة ويجمع التيار الناتج عن كل الخلايا معًا ما يكفي من الكهرباء للمساعدة في إمداد منزلك بالطاقة، حيث  تحتوي اللوحة القياسية المستخدمة في مجموعة سكنية على السطح على 60 خلية مرتبطة ببعضها البعض، وقد تستخدم التركيبات الشمسية التجارية ألواحًا أكبر تحتوي على 72 خلية ضوئية أو أكثر، وتعمل الخلايا الكهروضوئية الشمسية في ثلاث خطوات عامة:

  • يمتص الضوء ويفقد الإلكترونات
  • تتدفق الإلكترونات السائبة مما يخلق تيارًا
  • يتم التقاط التيار ونقله إلى أسلاك

يعتبر التأثير الكهروضوئي عملية معقدة ولكن هذه الخطوات الثلاث هي الطريقة الأساسية التي يتم بها تحويل الطاقة من الشمس إلى كهرباء قابلة للاستخدام بواسطة الخلايا الشمسية في الألواح الشمسية.

كيفية عمل خلايا السيليكون الكهروضوئية

تمتص خلايا السيليكون الكهروضوئية من خلال التأثير الكهروضوئي الفوتونات وتولد الكهرباء المتدفقة، وتختلف هذه العملية اعتمادًا على نوع تقنية الطاقة الشمسية، وهناك بعض الخطوات الشائعة عبر جميع الخلايا الكهروضوئية الشمسية:

  • تمتص الخلية الكهروضوئية الضوء وتفقد الإلكترونات

أولاً: يضرب الضوء خلية كهروضوئية ويتم امتصاص الفوتونات بواسطة مادة شبه موصلة مصنوعة منها وعادةً يكون السيليكون، وتتسبب هذه الطاقة الضوئية الواردة في تفكيك الإلكترونات الموجودة في السيليكون والتي ستصبح في النهاية الكهرباء الشمسية التي يمكنك استخدامها في منزلك.

  • تبدأ الإلكترونات في التدفق مكونة تيارًا كهربائيًا

هناك طبقتان من السليكون تستخدمان في الخلايا الكهروضوئية ، وكل واحدة يتم معالجتها بشكل خاص (المعروفة باسم “المنشطات”) لإنشاء مجال كهربائي ، مما يعني أن أحد الجانبين له شحنة موجبة صافية والآخر به شحنة سالبة صافية. يتسبب هذا المجال الكهربائي في تدفق الإلكترونات السائبة في اتجاه واحد عبر الخلية الشمسية مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.

  • يتم التقاط التيار الكهربائي ودمجه مع خلايا شمسية أخرى

بمجرد توليد تيار كهربائي بواسطة إلكترونات مفكوكة تجمع الصفائح المعدنية الموجودة على جانبي كل خلية شمسية تلك الإلكترونات وتنقلها إلى أسلاك، وفي هذه المرحلة يمكن أن تتدفق الإلكترونات كهرباء عبر الأسلاك إلى عاكس شمسي ثم في جميع أنحاء منزلك.

كيفية زيادة كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية

كفاءة الخلية الكهروضوئية هي مقدار الطاقة الكهربائية التي تخرج من الخلية مقارنة بالطاقة من الضوء الساطع عليها، وهو يوضح مدى فعالية الخلية في تحويل الطاقة، وهناك مجموعة متنوعة من العوامل الداخلية والخارجية للخلايا الشمسية مثل شدة الضوء وطول الموجة التي تؤثر على كمية الكهرباء التي يمكن أن تنتجها الخلية الكهروضوئية. 

أحد العناصر المهمة في أشباه الموصلات الكهروضوئية هو مدى الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للمادة امتصاصها وتحويلها إلى طاقة، يتكون الضوء من فوتونات تهتز على نطاق واسع من الأطوال الموجية، وكما يمكن لهذه الخلية أن تلتقط الأطوال الموجية التي تطابق النطاق القابل للامتصاص لأشباه الموصلات الشمسية والمعروفة باسم فجوة الحزمة.

وتتمثل الإستراتيجية التي ستساعد في تحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية في المستقبل في وضع طبقات متعددة من أشباه الموصلات معًا لصنع خلايا شمسية متعددة الوصلات، ويكون لكل طبقة من الخلايا الشمسية متعددة الوصلات فجوة نطاق مختلفة مما يعني أنها تمتص جزءًا مختلفًا من الطيف الشمسي مما يستفيد بشكل أفضل من ضوء الشمس من الخلية التقليدية أحادية الوصلة. 

ما هو الفرق بين الخلايا الكهروضوئية والخلايا الشمسية

لا يوجد الفرق بين الخلية الشمسية والخلايا الكهروضوئية، حيث تعتبر الخلايا الشمسية والخلايا الكهروضوئية هما نفس الشيء ويمكن استخدام المصطلحين بالتبادل في معظم الحالات، ويكون كل من الخلايا الشمسية الكهروضوئية والخلايا الشمسية هي مكونات إلكترونية تولد الكهرباء عند تعرضها للفوتونات مما ينتج عنه إنتاج الكهرباء ويُعرف بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية من خلال خلية شمسية بالتأثير الكهروضوئي، ولهذا السبب نشير إلى الخلايا الشمسية باسم “الخلايا الكهروضوئية”.[2]

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى