مبدأ عمل الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية
تعتمد عملية تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية على ظاهرة تُعرف بالتأثير الكهروضوئي. عندما تتعرض المواد شبه الموصلة للضوء، يتم امتصاص بعض فوتونات الأشعة الضوئية بواسطة بلورات المواد شبه الموصلة مما يسبب زيادة كبيرة في عدد الإلكترونات الحرة داخل البلورة. هذا هو السبب الأساسي لإنتاج الكهرباء بسبب التأثير الكهروضوئي. خلية كهروضوئية هي الوحدة الأساسية للنظام حيث يتم استخدام التأثير الكهروضوئي لإنتاج الكهرباء من الطاقة الضوئية. السيليكون هو المادة شبه الموصلة الأكثر استخدامًا لبناء الخلية الكهروضوئية. ذرة السيليكون تحتوي على أربعة إلكترونات قيمة. في البلورة الصلبة، تشارك كل ذرة سيليكون كل واحد من أربعة إلكتروناتها مع ذرة سيليكون أخرى مجاورة لها، مما يؤدي إلى إنشاء روابط تساهمية بينهما. بهذه الطريقة، تحصل بلورة السيليكون على بنية شبكة رباعية. عند ضرب أي مادة بالأشعة الضوئية، يتم انعكاس جزء من الضوء، وتمرير جزء آخر عبر المادة، ويتم امتصاص الجزء المتبقي بواسطة المادة.
تحدث نفس الشيء عندما يسقط الضوء على بلورة السيليكون. إذا كانت شدة الضوء الساقطة عالية بما فيه الكفاية، يتم امتصاص عدد كافٍ من الفوتونات بواسطة البلورة وهذه الفوتونات بدورها تحفز بعض الإلكترونات الروابط التساهمية. ثم تحصل هذه الإلكترونات المشحونة على طاقة كافية للانتقال من النطاق القيمي إلى النطاق الموصل. وبما أن مستوى الطاقة لهذه الإلكترونات في النطاق الموصل، فإنها تترك الرابطة التساهمية وتترك فجوة خلف كل إلكترون مُزيل. تسمى هذه الإلكترونات الحرة وتتحرك بشكل عشوائي داخل بنية البلورة السيليكون. تلعب هذه الإلكترونات الحرة والفجوات دورًا حيويًا في إنتاج الكهرباء في الخلية الكهروضوئية. تسمى هذه الإلكترونات والفجوات على التوالي الإلكترونات والفجوات المولدة بالضوء. لا يمكن لهذه الإلكترونات والفجوات المولدة بالضوء أن تنتج الكهرباء بمفردها في بلورة السيليكون. يجب أن يكون هناك بعض الآليات الإضافية لتحقيق ذلك.
عند إضافة شائبة خامسة مثل الفوسفور إلى السيليكون، يتم مشاركة الأربعة إلكترونات القيمية لكل ذرة فوسفور خامسة عبر روابط تساهمية مع أربع ذرات سيليكون مجاورة، والخامس إلكترون قيم لا يحصل على فرصة لإنشاء رابطة تساهمية.
ثم يصبح هذا الإلكترون الخامس مرتبطاً بشكل نسبي بذرة الأم. حتى في درجة حرارة الغرفة، تكون الطاقة الحرارية المتاحة في البلورة كافية لفصل هذه الإلكترونات الخامسة النسبية من ذرة الفوسفور الأم. بينما يتم فصل هذا الإلكترون الخامس النسبي من ذرة الفوسفور الأم، تصبح ذرة الفوسفور أيونات موجبة ثابتة. يصبح هذا الإلكترون المنفصل حراً ولكنه ليس لديه أي رابطة تساهمية غير مكتملة أو فجوة في البلورة ليتم إعادة ربطه بها. تأتي هذه الإلكترونات الحرة من الشوائب الخامسة دائماً جاهزة لنقل التيار في شبه الموصل. رغم وجود العديد من الإلكترونات الحرة، إلا أن المادة لا تزال محايدة كهربائياً لأن عدد الأيونات الموجبة للفوسفور المحصورة داخل بنية البلورة يساوي تماماً عدد الإلكترونات الحرة التي خرجت منها. تُعرف عملية إدخال الشوائب في شبه الموصل باسم الدوبينغ، والشوائب المستخدمة في الدوبينغ تُعرف باسم الدوبينت. تُعرف الشوائب الخامسة التي تمنح إلكترونها الخامس الحر إلى بلورة شبه الموصل باسم المانحين. تُعرف شبه الموصلات المدوَّبة بالشوائب المانحة بأنها شبه موصلات من النوع n أو السالب لأنه يوجد فيها الكثير من الإلكترونات الحرة ذات الشحنة السالبة.
عندما يتم إضافة ذرات شائبة ثلاثية مثل البورون بدلاً من ذرات الفوسفور الخامسة إلى بلورة شبه موصل، سيتم إنشاء نوع مختلف من شبه الموصل. في هذه الحالة، سيتم استبدال بعض ذرات السيليكون في شبكة البلورة بذرات البورون، بمعنى آخر، ستشغل ذرات البورون أماكن ذرات السيليكون المُستبدلة في بنية الشبكة. ثلاثة إلكترونات قيمة لذرة البورون ستترابط مع إلكترون قيمة لثلاث ذرات سيليكون مجاورة لإنشاء ثلاثة روابط تساهمية كاملة. لهذا التكوين، سيكون هناك ذرة سيليكون لكل ذرة بورون، وسيبقى الرابع إلكترون قيمة لهذه الذرات السيليكون دون إيجاد إلكترونات قيمة مجاورة لإكمال الرابطة التساهمية الرابعة. لذلك يبقى هذا الرابع إلكترون قيمة لهذه الذرات السيليكون غير مرتبط ويسلك كرابطة غير مكتملة. وبالتالي، سيكون هناك نقص في الإلكترون في الرابطة غير المكتملة، ودائماً ما تجذب الرابطة غير المكتملة الإلكترون لتلبية هذا النقص. وهكذا، هناك فراغ للإلكترون ليجلس فيه.
يُطلق على هذا الفراغ اسم الثقب الموجب. في شبه الموصل المدوَّب بالشوائب الثلاثية، يتم كسر عدد كبير من الروابط التساهمية باستمرار لإكمال روابط تساهمية غير مكتملة أخرى. عندما يتم كسر رابطة واحدة، يتم إنشاء ثقب فيها. عندما يتم إكمال رابطة واحدة، يختفي الثقب فيها. بهذه الطريقة، يبدو أن الثقب يظهر ويختفي في مكان آخر. وهكذا، تمتلك الثقوب حركة نسبية داخل بلورة شبه الموصل. من وجهة النظر هذه، يمكن القول إن الثقوب يمكن أن تتحرك بحرية مثل الإلكترونات الحرة داخل بلورة شبه الموصل. بما أن كل ثقب يمكنه قبول إلكترون، تُعرف الشوائب الثلاثية باسم الشوائب المقبِلة والشبكات شبه الموصلة المدوَّبة بالشوائب المقبِلة تُعرف بشبه الموصلات من النوع p أو الموجبة.
في شبه الموصل من النوع n، تحمل الإلكترونات الحرة الشحنة السالبة وفي شبه الموصل من النوع p، تحمل الثقوب الشحنة الموجبة بالتالي تُعرف الإلكترونات الحرة في شبه الموصل من النوع n والثقوب الحرة في شبه الموصل من النوع p باسم حاملات الأغلبية في شبه الموصل من النوع n والشبه الموصل من النوع p على التوالي.
هناك دائمًا حاجز كهربائي بين المواد من النوع n والنوع p. هذا الحاجز الكهربائي ضروري لعمل الخلية الكهروضوئية أو الخلية الشمسية. عندما يتلامس شبه الموصل من النوع n وشبه الموصل من النوع p، يحصل الإلكترونات الحرة القريبة من سطح التلامس في شبه الموصل من النوع n على الكثير من الثقوب المجاورة للمادة من النوع p. لذا تقوم الإلكترونات الحرة في شبه الموصل من النوع n القريبة من سطح التلامس بالقفز إلى الثقوب المجاورة للمادة من النوع p لإعادة التركيب. ليس فقط الإلكترونات الحرة، ولكن أيضًا الإلكترونات القيمية لشبه الموصل من النوع n القريبة من سطح التلامس تخرج من الرابطة التساهمية وتقوم بإعادة التركيب مع الثقوب الأكثر قربًا في شبه الموصل من النوع p. نتيجة لكسر الروابط التساهمية، سيظهر عدد من الثقوب في المادة من النوع n القريبة من سطح التلامس. لذا، بالقرب من منطقة التلامس، تختفي الثقوب في المادة من النوع p بسبب إعادة التركيب بينما تظهر الثقوب في المادة من النوع n بالقرب من نفس منطقة التلامس. هذا يعادل الهجرة النسبية للثقوب من المادة من النوع p إلى المادة من النوع n. لذا، بمجرد أن يأتي شبه موصل من النوع n وشبه موصل من النوع p في تلامس، يقوم الإلكترونات من النوع n بالانتقال إلى النوع p والثقوب من النوع p بالانتقال إلى النوع n. العملية سريعة جداً لكنها لا تستمر إلى الأبد. بعد فترة قصيرة، سيكون هناك طبقة من الشحنة السالبة (الإلكترونات الزائدة) في المادة من النوع p المجاورة لسطح التلامس. بنفس الطريقة، سيكون هناك طبقة من الشحنة الموجبة (الأيونات الموجبة) في المادة من النوع n المجاورة لسطح التلامس. تزداد سمك هذه الطبقات السالبة والموجبة حتى حد معين، ولكن بعد ذلك، لن ينتقل المزيد من الإلكترونات من شبه الموصل من النوع n إلى شبه الموصل من النوع p. هذا لأن أي إلكترون من شبه الموصل من النوع n يحاول الانتقال عبر شبه الموصل من النوع p يواجه طبقة كافية السمك من الأيونات الموجبة في شبه الموصل من النوع n نفسه حيث يسقط دون أن يعبرها. بنفس الطريقة، لن ينتقل المزيد من الثقوب إلى شبه الموصل من النوع n من شبه الموصل من النوع p. عندما تحاول الثقوب عبور الطبقة السالبة في شبه الموصل من النوع p، تعيد التركيب مع الإلكترونات ولا تتحرك نحو منطقة النوع n.
بعبارة أخرى، تشكل الطبقة السالبة في الجانب من النوع p والطبقة الموجبة في الجانب من النوع n حاجزاً يعارض هجرة حاملات الشحنة من جانب إلى آخر. بنفس الطريقة، يتم منع الثقوب في المنطقة من النوع p من دخول المنطقة من النوع n. بسبب الطبقات الموجبة والسالبة، سيكون هناك مجال كهربائي عبر المنطقة وتُسمى هذه المنطقة بالمنطقة المُفندة.
الآن دعنا نعود إلى بلورة السيليكون. عندما يضرب الأشعة الضوئية البلورة، يتم امتصاص جزء من الضوء بواسطة البلورة، وبالتالي يتم تحفيز بعض الإلكترونات القيمية وتخرج من الرابطة التساهمية مما يؤدي إلى إنشاء أزواج إلكترون-ثقب حرة.
إذا ضرب الضوء شبه الموصل من النوع n، فلا يمكن للإلكترونات من أزواج الإلكترون-ثقب المولدة بالضوء أن تهاجر إلى منطقة النوع p لأنها غير قادرة على عبور الحاجز الكهربائي بسبب رفض المجال الكهربائي عبر المنطقة المُفندة. في نفس الوقت، تقوم الثقوب المولدة بالضوء بعبور منطقة التعادل بسبب جذب المجال الكهربائي للمنطقة المُفندة حيث تقوم بإعادة التركيب مع الإلكترونات، ثم يتم تعويض نقص الإلكترونات هنا بواسطة الإلكترونات القيمية لمنطقة النوع p، وهذا يجعل عددًا مماثلاً من الثقوب في منطقة النوع p. وهكذا، يتم نقل الثقوب المولدة بالضوء إلى منطقة النوع p حيث يتم حبسها لأنها، بمجرد أن تأتي إلى منطقة النوع p، لن تستطيع العودة إلى منطقة النوع n بسبب رفض الحاجز الكهربائي.
بما أن الشحنة السالبة (الإلكترونات المولدة بالضوء) محبوسة في جانب واحد والشحنة الموجبة (الثقوب المولدة بالضوء) محبوسة في الجانب المقابل للخلية، سيكون هناك فرق جهد بين هذين الجانبين من الخلية. هذا الفرق الجهد عادة ما يكون 0.5 فولت. هذا هو كيف تنتج خلايا كهروضوئية أو خلايا شمسية فرق جهد.
بيان: احترم الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل للحذف.
