الخلايا الشمسية,Solar cells,كيفية عمل الخلايا الشمسية,الطاقة الشمسية

كيفية عمل الخلايا الشمسية Solar cells الطاقة الشمسية

لابد من أنك رأيت الآلات الحاسبة التي لها خلايا شمسية Solar cells. الحاسبات التي لا تحتاج إلى بطاريات وفي بعض الأحيان لا تحتاج إلى زر الإطفاء وتبدو لك بأنها ستعمل إلى الأبد طالما لديك الكمية الكافية من الضوء, وأيضاً لابد من أنك رأيت ألواح شمسية أكبر من ذلك . مثلاً على إشارات الطريق الطارئة أو في الهواتف العامة أو في الطوافات أو حتى في المواقف لتشغيل الأضواء, على الرغم من أن هذه الألواح الكبيرة ليست شائعة مثل الآلات الحاسبة التي تعمل على النظام الشمسي ولكنها شائعة في الخارج وليس من الصعب جداً إكتشافها إذا عرفت أين تبحث عنها.

هناك صفوف من الخلايا الشمسية Solar cells على الأقمار الصناعية التي تستعمل لتشغيل الأنظمة الكهربائية, ولابد أنك سمعت أيضاً عن الثورة الشمسية في الـ20 سنة الماضية والفكرة أنه يوماً من الأيام سوف نستخدم الكهرباء مجاناً من الشمس .

تشرق الشمس في يوم مشمس وساطع 1000 واط تقريباً لكل متر مربع من سطح الكوكب وإذا استطعنا جمع كل هذه الطاقة فسنستطيع وقتها أن نزود منازلنا ومكاتبنا بالطاقة مجاناً.

تحويل الفوتونات إلى إلكترونات

إن الخلايا الشمسية Solar cells التي رأيتها في الآلات الحاسبة وفي الأقمار الصناعية هي خلايا جهد كهربائي ضوئي (فلطائية) أو وحدات (الوحدات هي ببساطة مجموعة من الخلايا أوصلت كهربائياً ورزمت في إطار واحد).
(Photovoltaic) (PV) الضوء الفلطائي (ضوء الجهد الكهربائي) كما تدل الكلمة Photo= ضوء

voltaic= كهرباء . تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء, وقد أستخدمت مرة واحدة في الفضاء بشمل خاص ويستخدم الضوء الفلطائي في أقل طرق غريبة حتى أن بإمكانهم تزويد بيتك بالطاقة.

كيف تعمل هذه الأدوات؟

صنعت خلايا الضوء الفلطائي (ضوء الجهد الكهربائي) من مواد خاصة تسمى((Semiconductors أشباه موصلات مثل السيليكون حيث أن استخدامه أكثر شيوعاً الآن , عندما يضرب ضوء الشمس الخلية فإن جزء معين من الخلية وهي داخل المادة الشبه موصلة التي تقوم بإمتصاص الضوء هذا يعني أن طاقة الضوء الممتص تحولت إلى الشبه موصلات ال Semiconductors وتضرب الطاقة الإلكترونية الطليقة سامحة لهم بالتدفق بحرية.
إن خلايا (PV) تملك أيضاً حقلاً أو حقول كهربائية أكثر التي تقوم بإجبار الإلكترونات التي حررت بواسطة الضوء الممصوص بالتدفق بإتجاه معين, وتدفق الإلكترونات هذا هو التيار ويمكننا أن نسحب التيار للإستعمال الخارجي وذلك بوضع وصلات معدنية في قمة وأسفل خلايا الـPV .

لنلقي نظرة أعمق إلى مثال من خلية (PV): خلية السيليكون البللورية الوحيدة.

السيليكون إن السيليكون لديه بعض الخواص الكيماوية الخاصة خصوصاً في شكله البللوري, لدى ذرة السيليكون 14 إلكتروناً مرتبة في ثلاثة طبقات مختلفة, وأول طبقتين واللتين هما الأقرب إلى المركز ممتلئتين تماماً, وإن الطبقة الخارجية فقط هي الطبقة النصف ممتلئة ولديها أربعة إلكترونات فستقوم ذرة السيليكون بالبحث دائماً عن الطرق لتملأ طبقتها الأخيرة (التي تود الحصول على ثمانية إلكترونات) ولتفعل ذاك ستشترك بأربعة إلكترونات مع ذرة السيليكون التي تقع بالقرب منها فتبدو كل ذرة تمسك بيد الذرة التي تقع إلى جانبها فكل ذرة لديها أربعة أيدي تشاركهم معه أربعة من جيران لها وهذا الذي يشكل التركيب البللوري وهذا التركيب يرتد إلى الخارج ليصبح هاماً لخلية الـ(PV) لقد وصفنا الآن السيليكون البللوري الصافي.
إن السيليكون البللوري الصافي ناقل ضعيف للكهرباء لأنه لا يوجد ولا واحدة من إلكتروناتها حر الحركة مثل الإلكترونات التي لديها ناقل جيد كالنحاس وبدلاًمن ذلك فإن الإلكترونات جميعها محبوسة في التركيب البللوري ولكن السيليكون في الخلية الشمسية معدل بعض الشيء لذلك سيعمل مثل الخلية الشمسية.
السيليكون في الخلايا الشمسية Solar cells
إن الخلية الشمسية فيها سيليكون مع الشوائب إختلط معها ذرات أخرى وذلك يغير عمل الأشياء فيها قليلاً ونحن نعتبر الشوائب عادة كشيء مكروه ولكن في هذه الحالة لن تعمل بدون هذه الشوائب وفي الحقيقة توضع هذه الشوائب عمداً.
سنعتبر بأننا مزجنا ذرة السيليكون مع الفوسفور ربما ذرة فوسفور واحدة لكل مليون ذرة سيليكون, الفوسفور لديه خمسة إلكترونات في الطبقة الخارجية وليس أربعة وهو يلتصق بذرات جاره السيليكون ولكن الفوسفور إلكتروناً واحداً ليس لديه أحد يمسك بيده وهو لا يشكل جزء من الرابطة ولكن هناك بروتون إيجابي في النواة الفوسفورية التي تبقي الذرة في محلها.
عندما تضاف الطاقة إلى السيليكون الصافي مثلاً عند تشكيل الحرارة ستتسبب بإفلات بضعة إلكترونات من روابطهم وبترك ذراتهم وفي كلتا الحالتين تقوم الإلكترونات بترك فجوات ورائها وبالتالي تتجول الإلكترونات بشكل عشوائي حول الشبكة باحثة عن فتحة أخرى لتهبط فيها وتدعى هذه الإلكترونات بالناقلات الحرة وتستطيع أن تحمل تياراً كهربائياً وهناك البعض منهم في السيليكون الصافي ولكنهم على أي حال ليسوا مفيدون جداً ولكن السيليكون الملوث الذي مزج معه ذرات فوسفور فهو قصة مختلفة, وإن إلكترونات الفوسفور الحرة الإضافية لم تربط برابطة لأن الإلكترونات التي تجاورها لم ترصها وكنتيجة لذلك فإن أغلب هذه الإلكترونات تفلت ونحن لدينا الكثير من النواقل الحرة أكثر من التي نريدها في السيليكون الصافي.
إن عملية إضافة الشوائب عمداً تسمى التخدير وعند التخدير مع الفوسفور فإن السيليكون الناتج يسمى (N-Type) N = Negative سلبي بسبب إنتشار الإلكترونات الحرة, وإن السيليكون المخدرالسلبي (N-Type) ناقل افضل بكثير من من السيليكون الصافي وفي الحقيقة الجزء السلبي الوحيد(N-Type) من الخلية الشمسية وخدرت الأجزاء الأخرى بالبورون التي لديها ثلاثة إلكترونات سيليكون فقط في الطبقة الخارجية بدلاً من أربعة لتصبح (P-Type) P = Positive إيجابي وبدلاً من أن يكون لديه إلكترونات حرة فإن لديه فراغات حرة وهي فراغات خالية من الإلكترونات لذلك فهي تحمل الشحنة النقيضة (الإيجابية) وهم يتحركون هنا وهناك مثلما تفعل الإلكترونات, لذا إلى أين أوصلنا كل هذا؟

السيليكون السلبي(N-Type) + الإيجابي(P-Type):

يبدأ الجزء المثير عندما تقوم بوضع السيليكون ذو الشحنة السلبية N-Type) ) مع السيليكون ذو الشحنة الإيجابية (P-Type) وتذكر بأن كل خلية (PV) تحتوي على الأقل حقل كهربائي واحد وبدون الحقل الكهربائي فإن الخلية لن تعمل ويتشكل هذا الحقل عندما يتصل السيليكون ذو الشحنة السلبية مع السيليكون ذو الشحنة الإيجابية.
إن الإلكترونات الحرة في الجهة السلبية تبحث عن فجوات لكي تهبط فيها وعندما ترى الفجوات في الجهة الإيجابية تسع لكي تهبط فيها, كان السيليكون قبل ذلك محايد كهربائياً والإلكترونات الزائدة توازنت مع البروتونات في الفوسفور والإلكترونات المفقودة (الفجوات) التي تتوازن مع البروتونات المفقودة في البورون, وعندما تختلط الفجوات مع الإلكتونات في إتصال الشحنات السالبة مع الشحنات الموجبة في السيليكون فإن الحياد يعطل, إذاً هل ملأت كل الإلكترونات الحرة كل الفجوات الفارغة؟؟؟ لا. ولكن إذا فعلت ذلك فإن كل الترتيب القائم في الإتصال لن يكون مفيداً, على أي حال فهي تختلط وتشكل حاجزاً وتجعل مرور الإلكترونات من الجانب السلبي إلى الجانب الإيجابي صعباً جداً وفي آخر الأمر فإن التوازن سيصل وسيصبح لدينا حقل كهربائي يفصل الجانبين.

إن الحقل الكهربائي يتصرف مثل الدايود سامحاً (أوحتى دافعاً) للإلكترونات بالتدفق من الجهة الإيجابية إلى الجهة السلبية وليس إلى الجهة الأخرى وهذه العملية مثل التلة حيث تستطيع الإلكترونات أن تذهب لآخر التلة (إلى الجهة السلبية) ولكنها لا تستطيع التسلق إلى التلة (إلى الجهة الإيجابية) لذلك أصبح لدينا حقل كهربائي يتصرف مثل الدايود حيث تستطيع الإلكترونات التحرك بإتجاه واحد فقط.

ماذا يحدث عندما يضرب الضوء الخلية ؟

عندما يضرب ضوء على شكل فوتونات الخلية تقوم طاقته بتحرير أزواج من الفجوات الإلكترونية و سيقوم كل فوتون مع طاقته الكافية بشكل طبيعي بتحرير إلكترون واحدة بالضبط والذي سيؤدي إلى إقامة فجوات أيضاً وإذا حدث هذا بالقرب الكافي من حقل الإلكترونات أو إذا حدث أن تجولت الإلكترونات الحرة والفتحات الفارغة باتجاه مدار تأثيرها سيقوم الحقل بإرسال الإلكترون إلى الجهة السلبية والفتحات إلى الجهة الإيجابية وسيتسبب ذلك أيضاً بتمزيق الحياد الكهربائي, وإذا قمنا بتزويد طريق تدفق خارجي ستتدفق الإلكترونات من خلال الطريق إلى جهتها الأصلية (الجهة الإيجابية) لتتخذ الفجوات التي قام بإرسالها الحقل الكهربائي إلى هناك لتقوم بعملها على طول الطريق.
إن تدفق الإلكترونات يزودنا بتيار الحقل الكهربائي للخلية ويتسبب بالجهد الكهربائي (الفلطية) وبالنتيجة نحصل على الطاقة التي انتجت من كلا التيار والجهد الكهربائي (الفلطية).

ماهو قدر طاقة ضوء الشمس التي تمتصها خليةالـ(PV)؟

لسوء الحظ إن أكبر كمية تستطيع الخلية إمتصاصها هي حوالي 25% وعلى الأرجح 15% أو أقل . لماذا هذا القدر القليل؟.

فى التدوينه القادمه سوف اتكلم عن

فقدان الطاقة

تزويـد المنزل بالطاقة

يمكنك متابعه بقيه الموضوع من هنا