خلية شمسية: مبدأ العمل وبناء (تشمل الرسومات التوضيحية)

ما هو الخلية الشمسية؟

الخلية الشمسية (وتعرف أيضًا باسم الخلية الضوئية أو الخلية الفولتية الضوئية) هي جهاز كهربائي يحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية عبر التأثير الكهروضوئي. الخلية الشمسية هي في الأساس ماسحة ثنائية القطب. الخلايا الشمسية هي نوع من الخلايا الكهروضوئية، والتي تُعرَف بأن خصائصها الكهربائية - مثل التيار والجهد أو المقاومة - تتغير عند تعرضها للضوء.

يمكن دمج الخلايا الشمسية الفردية لتشكيل وحدات معروفة باسم الألواح الشمسية. يمكن للخلية الشمسية الفردية ذات الوصلة الواحدة من السيليكون أن تنتج جهدًا مفتوح الدائرة يصل إلى حوالي 0.5 إلى 0.6 فولت. بمفردها، هذا ليس كثيرًا - ولكن تذكر أن هذه الخلايا الشمسية صغيرة. عندما يتم دمجها في لوحة شمسية كبيرة، يمكن إنتاج كميات كبيرة من الطاقة المتجددة.

بناء الخلية الشمسية

الخلية الشمسية هي في الأساس ماسحة ثنائية القطب، على الرغم من أن بناءها يختلف قليلاً عن الماسحات الثنائية التقليدية. يتم زراعة طبقة رقيقة جدًا من نصف الموصل من النوع P على نصف موصل من النوع N أكثر سمكًا. ثم نطبق بعض الأقطاب الأدق على أعلى طبقة نصف الموصل من النوع P.

هذه الأقطاب لا تعيق الضوء من الوصول إلى الطبقة الرقيقة من النوع P. تحت الطبقة من النوع P يوجد وصلة ثنائية القطب. نوفر أيضًا قطب جمع التيار في أسفل الطبقة من النوع N. نغلف التجميع بأكمله بزجاج رقيق لحماية الخلية الشمسية من أي صدمات ميكانيكية.

مبادئ عمل الخلية الشمسية

عندما يصل الضوء إلى الوصلة ثنائية القطب، يمكن لفوتونات الضوء أن تدخل بسهولة إلى الوصلة عبر الطبقة الرقيقة من النوع P. الطاقة الضوئية، على شكل فوتونات، توفر طاقة كافية للوصلة لإنشاء عدد من أزواج الإلكترون-الفراغ. الضوء الساقط يكسر حالة التوازن الحراري للوصلة. يمكن للإلكترونات الحرة في منطقة الاستنزاف أن تأتي بسرعة إلى الجانب من النوع N من الوصلة.

وبالمثل، يمكن للفراغات في منطقة الاستنزاف أن تأتي بسرعة إلى الجانب من النوع P من الوصلة. بمجرد أن يأتي الإلكترونات الحرة الجديدة إلى الجانب من النوع N، لا يمكنها عبور الوصلة بسبب الجهد الحاجز للوصلة.

وبالمثل، بمجرد أن يأتي الفراغات الجديدة إلى الجانب من النوع P، لا يمكنها عبور الوصلة بسبب نفس الجهد الحاجز للوصلة. عندما تصبح تركيز الإلكترونات أعلى في جانب واحد، أي الجانب من النوع N من الوصلة، وتزداد تركيز الفراغات في الجانب الآخر، أي الجانب من النوع P من الوصلة، ستتصرف الوصلة ثنائية القطب مثل خلية بطارية صغيرة. يتم إعداد جهد يعرف بالجهد الضوئي. إذا قمنا بتوصيل حمل صغير عبر الوصلة، سيكون هناك تيار صغير يتدفق عبره.

خصائص التيار-الجهد للخلية الفولتية الضوئية

المواد المستخدمة في الخلية الشمسية

يجب أن تكون المواد المستخدمة لهذا الغرض لها فجوة طاقة قريبة من 1.5 eV. المواد الشائعة الاستخدام هي:

1. السيليكون.

2. GaAs.

3. CdTe.

4. CuInSe2

معايير المواد المستخدمة في الخلية الشمسية

1. يجب أن يكون لديها فجوة طاقة تتراوح بين 1 eV و 1.8 eV.

2. يجب أن يكون لديها امتصاص ضوئي عالي.

3. يجب أن يكون لديها توصيل كهربائي عالي.

4. يجب أن يكون المادة الخام متاحة بكثرة وأن يكون تكلفتها منخفضة.

مزايا الخلية الشمسية

1. لا يوجد تلوث مرتبط بها.

2. يجب أن تدوم لفترة طويلة.

3. لا يوجد تكلفة صيانة.

عيوب الخلية الشمسية

1. لديها تكلفة تركيب عالية.

2. لديها كفاءة منخفضة.

3. في الأيام الغائمة، لا يمكن إنتاج الطاقة، وكذلك في الليل لن نحصل على طاقة شمسية.

استخدامات أنظمة توليد الطاقة الشمسية

1. يمكن استخدامها لتغذية البطاريات.

2. تستخدم في أجهزة قياس الضوء.

3. تستخدم لتغذية الآلات الحاسبة والساعات اليدوية.

4. يمكن استخدامها في المركبات الفضائية لتوفير الطاقة الكهربائية.

خاتمة: رغم أن الخلية الشمسية لديها بعض العيوب المرتبطة بها، إلا أن هذه العيوب من المتوقع أن تتجاوز مع تقدم التكنولوجيا. حيث أن التكنولوجيا تتطور، ستنخفض تكلفة الألواح الشمسية وكذلك تكلفة التركيب بحيث يمكن لأي شخص أن يقوم بتثبيت النظام. بالإضافة إلى ذلك، تركز الحكومة بشكل كبير على الطاقة الشمسية، لذا بعد عدة سنوات قد نتوقع أن كل منزل وكل نظام كهربائي يتم تغذيته بواسطة الطاقة الشمسية أو مصدر الطاقة المتجددة.

بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل للحذف.