توجد أنواع مختلفة من التيارات داخل الخلايا الشمسية، مثل التيار المظلم، والتيار العكسي، وتيار التسريب. وتؤثر هذه التيارات بدرجات متفاوتة على إنتاج الطاقة من الوحدات الشمسية. ويساعد تمييز خصائص هذه التيارات في تحديد أسباب عدم انتظام إنتاج الطاقة من الوحدة، مما يساهم في حل المشكلات بشكل شامل.
التيار المظلم
تعريف
التيار المظلم، المعروف أيضاً بتيار التشبع العكسي في غياب الإضاءة، هو تيار مستمر عكسي يتولد في وصلة PN في ظروف انحياز عكسي عند انعدام الضوء الساقط. وينتج عادةً عن انتشار حاملات الشحنة أو العيوب على سطح الجهاز وداخله، بالإضافة إلى الشوائب الضارة.
تشكيل
(1).عملية الانتشار:داخل وصلة PN، يوجد عدد أكبر من الإلكترونات في المنطقة N وعدد أكبر من الفجوات في المنطقة P. نتيجةً لاختلاف التركيز، تنتشر الإلكترونات من المنطقة N باتجاه المنطقة P، وتنتشر الفجوات من المنطقة P باتجاه المنطقة N. على الرغم من أن المجال الكهربائي الداخلي لوصلة PN يقاوم هذا الانتشار، إلا أنه يستمر حتى يتحقق توازن ديناميكي، مُشكِّلاً تيار انتشار.
(2).العيوب والشوائب:عند وجود عيوب على سطح الجهاز أو داخله، فإنها تعمل كمراكز لإعادة التركيب، حيث تلتقط الإلكترونات والفجوات وتسهل عملية إعادة التركيب. وتلعب الشوائب الضارة دورًا مشابهًا، إذ تساهم في تكوين التيار المظلم.
تأثير
يُؤخذ التيار المظلم في الاعتبار عادةً أثناء فرز رقائق السيليكون. يشير التيار المظلم الزائد إلى رداءة جودة الرقاقة، مثل كثرة حالات السطح، وكثرة عيوب الشبكة البلورية، والشوائب الضارة، أو تركيزات التطعيم العالية جدًا. عادةً ما تُظهر الخلايا الشمسية المصنوعة من هذه الرقائق أعمارًا قصيرة لحاملات الشحنة الثانوية، مما يؤدي مباشرةً إلى انخفاض كفاءة التحويل.
التيار المظلم في الخلايا الشمسية
في الثنائيات البسيطة، يتوافق التيار المظلم مع تيار التشبع العكسي. أما في الخلايا الشمسية، فيشمل التيار المظلم تيار التشبع العكسي، وتيار التسرب في الطبقة الرقيقة، وتيار التسرب في المادة الأساسية.
تيار التشبع العكسي
تعريف
يشير تيار التشبع العكسي إلى التيار في وصلة PN عند تطبيق انحياز عكسي. يؤدي الجهد العكسي إلى توسيع طبقة الاستنزاف، مما يزيد من المجال الكهربائي وطاقة الوضع للإلكترونات. هذا يجعل من الصعب على حاملات الشحنة الرئيسية عبور الحاجز، مما يقلل تيار الانتشار إلى ما يقارب الصفر.
تشكيل
1. تيار الانجراف: يؤدي المجال الكهربائي المتزايد إلى تسهيل انجراف حاملات الشحنة الأقلية في منطقتي N و P، مما يؤدي إلى تكوين تيار عكسي.
2. الاعتماد على درجة الحرارة: بما أن حاملات الشحنة الأقلية تتولد حراريا، فإن عددها ثابت عند درجة حرارة معينة، وكذلك التيار العكسي.
تيار التسريب
تعريف
يمكن تقسيم الخلايا الشمسية إلى ثلاث مناطق: طبقة رقيقة (المنطقة N)، وطبقة استنزاف (وصلة PN)، والمنطقة الأساسية (المنطقة P). تعمل العيوب والشوائب في هذه المناطق كمراكز لإعادة التركيب، حيث تلتقط الإلكترونات والفجوات لتسهيل عملية إعادة التركيب. تولد هذه العملية تيارات صغيرة، تساهم في التيار المظلم المقاس.
الأنواع
• تيار التسرب في الطبقة الرقيقة: ينتج عن العيوب والشوائب في الطبقة الرقيقة.
• تيار التسرب الكلي: ناتج عن العيوب والشوائب في المنطقة الكلية.
الغرض من اختبار التيار المظلم
1. منع الأعطال
عندما يكون قطب الخلية معكوسًا أو قطبية الوحدة معكوسة، قد يؤدي التيار المظلم الزائد إلى تلف الخلية بسرعة. على الرغم من ندرة حدوث ذلك، إلا أن اختبار التيار المظلم يساعد في منع حدوث مثل هذه الحالات.
2. مراقبة عمليات الإنتاج
يساعد اختبار التيار المظلم في تحديد المشكلات المحتملة في العملية. يتكون التيار المظلم من تيار التشبع العكسي، وتيار التسرب في الطبقة الرقيقة، وتيار التسرب في الكتلة، ويرمز إليها بـ J1J_1J1 و J2J_2J2 و J3J_3J3 على التوالي.
عند تطبيق جهد عكسي:
· المنطقة 1: يهيمن عليها J2J_2J2 (تيار التسرب ذو الطبقة الرقيقة).
· المنطقة 2: يهيمن عليها J3J_3J3 (تيار التسرب الرئيسي).
· المنطقة 3: يهيمن عليها J1J_1J1 (تيار التشبع العكسي).
يتم تحديد حدود هذه المناطق بواسطة جهود اختبار محددة.
تأثيرات الجهد
عند تطبيق جهد كهربائي على الخلية، يتسبب ذلك في حقن كهربائي في رقاقة السيليكون، مما يؤدي إلى إثارة حاملات الشحنة غير المتوازنة. كلما زاد الجهد، زاد عدد حاملات الشحنة المُثارة، مما يؤدي إلى زيادة التيار المظلم. مع ذلك، يتباطأ معدل النمو مع زيادة الجهد حتى تتعطل الخلية.
الاختبارات القياسية
يُختبر التيار المظلم عادةً عند جهد 12 فولت. ومن خلال مقارنة نتائج الاختبار بالمنحنيات القياسية، يمكن تقييم حالة الخلية:
يشير التيار المظلم المفرط في المنطقة 1 إلى وجود مشاكل في الطبقة الرقيقة.
يشير التيار المظلم المفرط في المنطقة 2 إلى وجود مشاكل في المنطقة الرئيسية.
يشير التيار المظلم المفرط في المنطقة 3 إلى وجود مشاكل في وصلة PN، مثل الانتشار أو الطباعة بالشاشة أو عدم اتساق درجة الحرارة.
خاتمة
يُعد اختبار التيار المظلم أمرًا بالغ الأهمية لتحديد المشكلات المتعلقة بالعملية وتحسين إنتاج الخلايا الشمسية.
