حظي توليد الطاقة الشمسية، باعتباره حلاً رائداً للطاقة النظيفة، باهتمام كبير من قطاع الصناعة. إذا كنت مهتماً، فلنتعرف على بنية الخلايا الشمسية والمواد الكهروضوئية ذات الصلة.
تُحوّل عملية توليد الطاقة الشمسية، والتي يُشار إليها غالبًا بالخلايا الشمسية، ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء. في الألواح الشمسية، تُحرر الفوتونات القادمة من الشمس الإلكترونات من الروابط الذرية لمواد أشباه الموصلات. وعندما تُجبر هذه الإلكترونات على التحرك في نفس الاتجاه، فإنها تُولد تيارًا كهربائيًا يُمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة الإلكترونية أو لتغذية شبكة الكهرباء.
منذ أن وضع الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إدموند بيكريل نظريته الأولى حول تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية عام 1839، أصبح توليد الطاقة الشمسية موضوعًا رئيسيًا للبحث العلمي. واليوم، مع تسارع فرق بحثية كبرى من الولايات المتحدة واليابان وأوروبا في تسويق أنظمتها الشمسية، يستمر السوق الدولي لصناعة الخلايا الكهروضوئية في التوسع.
وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية
على الرغم من اختلاف المواد المستخدمة في أنظمة الخلايا الكهروضوئية، إلا أن جميع الوحدات تتكون من عدة طبقات تمتد من الأمام إلى الخلف. يمر ضوء الشمس أولاً عبر طبقة واقية (عادةً ما تكون من الزجاج)، ثم عبر طبقة توصيل شفافة إلى الخلية نفسها. في مركز الوحدة توجد مادة ماصة، تلتقط الفوتونات لتوليد التيار الكهربائي. يعتمد نوع مادة أشباه الموصلات المستخدمة على الاحتياجات الخاصة بنظام الخلايا الكهروضوئية.
أسفل مادة الامتصاص توجد طبقة معدنية خلفية تُكمل الدائرة الكهربائية. أسفل هذه الطبقة المعدنية توجد طبقة رقيقة مركبة تعمل على عزل الوحدة ضد الماء. غالبًا ما تُجهز وحدات الخلايا الكهروضوئية بطبقة حماية إضافية مصنوعة من الزجاج أو سبائك الألومنيوم أو البلاستيك.
مواد أشباه الموصلات
يمكن أن تكون مواد أشباه الموصلات في الأنظمة الكهروضوئية من السيليكون، أو الأغشية الرقيقة متعددة البلورات، أو الأغشية الرقيقة أحادية البلورة. تشمل مواد السيليكون السيليكون أحادي البلورة، والسيليكون متعدد البلورات، والسيليكون غير المتبلور. يتميز السيليكون أحادي البلورة، ببنيته المنتظمة، بكفاءة تحويل كهروضوئي أعلى من السيليكون متعدد البلورات.
في السيليكون غير المتبلور، تتوزع ذرات السيليكون عشوائياً، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة التحويل مقارنةً بالسيليكون أحادي التبلور. مع ذلك، يتميز السيليكون غير المتبلور بقدرته على امتصاص عدد أكبر من الفوتونات، ويمكن تعزيز هذه الخاصية بمزجه مع عناصر مثل الجرمانيوم أو الكربون.
يُعدّ كلٌّ من ثنائي سيلينيد النحاس والإنديوم (CIS) وتيلوريد الكادميوم (CdTe) والسيليكون الرقيق من المواد الشائعة الاستخدام في صناعة الأغشية الرقيقة متعددة البلورات. أما المواد عالية الكفاءة، مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، فتُدمج غالبًا مع أغشية رقيقة من السيليكون أحادي البلورة. ويتم اختيار هذه المواد لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية المحددة بناءً على خصائص فريدة، مثل درجة التبلور، وحجم فجوة الطاقة، وقدرات الامتصاص، وسهولة التصنيع.
العوامل الخارجية المؤثرة على أشباه الموصلات
يُحدد الترتيب الذري في البنية البلورية درجة تبلور مواد أشباه الموصلات، مما يؤثر بشكل مباشر على نقل الشحنات وكثافة التيار وكفاءة تحويل الطاقة في الخلايا الشمسية. وتُشير فجوة النطاق في مواد أشباه الموصلات إلى الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لانتقال الإلكترونات من حالة ارتباط إلى حالة حرة (مما يسمح بالتوصيل). وتصف فجوة النطاق، التي يُرمز لها عادةً بـ Eg، فرق الطاقة بين نطاق التكافؤ (ذو الطاقة المنخفضة) ونطاق التوصيل (ذو الطاقة العالية).
يُحدد معامل الامتصاص المسافة التي يمكن أن يخترقها فوتون ذو طول موجي معين في وسط ما قبل امتصاصه. ويتحدد هذا المعامل بنوع مادة الخلية وطول موجة الفوتون الممتص.
تعتمد تكلفة وسهولة معالجة مختلف مواد وأجهزة أشباه الموصلات على عوامل عديدة، تشمل نوع المواد المستخدمة وحجمها، ودورات الإنتاج، وخصائص هجرة الخلايا في حجرة الترسيب. ويلعب كل عامل دورًا حاسمًا في تلبية احتياجات توليد الطاقة الكهروضوئية المحددة.
