طاقة شمسية

فكرة الخلايا الشمسية بأقل التكاليف وجودة عالية

أساسيات الخلايا الشمسية 

عندما يضيء الضوء على خلية ضوئية قد ينعكس هذا الضوء أو يمتص أو يمر مباشرة عبر الخلية. حيث تتكون الخلية الكهروضوئية من مادة شبه موصلة ؛ يعني أنه يمكن توصيل الكهرباء بشكل أفضل من العازل ولكن ليس كذلك موصل جيد مثل المعدن، وهناك العديد من مواد أشباه الموصلات المختلفة المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية، دعونا نتعرف علي أساسيات عمل الخلايا الشمسية بالتفصيل من خلال هاو سوبر.

عندما يتعرض أشباه الموصلات للضوء، فإنه يمتص طاقة الضوء وينقلها إلى جسيمات سالبة الشحنة في مادة تسمى الإلكترونات، تسمح هذه الطاقة الإضافية للإلكترونات بالتدفق عبر المادة كتيار كهربائي، يتم استخراج هذا التيار من خلال ملامسات معدنية موصلة ويمكن بعد ذلك استخدامها لتشغيل منزلك وبقية الشبكة الكهربائية.

كفاءة الخلية الكهروضوئية هي ببساطة مقدار الطاقة الكهربائية الخارجة من الخلية مقارنة بالطاقة من الضوء الساطع عليها ، مما يشير إلى مدى فعالية الخلية في تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، كما تعتمد كمية الكهرباء المنتجة من الخلايا الكهروضوئية على الخصائص (مثل الشدة والأطوال الموجية) للضوء المتاح وخصائص الأداء المتعددة للخلية.

الخلايا الشمسية

من الخصائص المهمة لأشباه الموصلات الكهروضوئية فجوة الحزمة ، والتي تشير إلى الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للمادة أن تمتصها وتحولها إلى طاقة كهربائية. إذا كانت فجوة النطاق لأشباه الموصلات تتطابق مع الأطوال الموجية للضوء الساطع على الخلية الكهروضوئية، فيمكن لهذه الخلية أن تستفيد بكفاءة من كل الطاقة المتاحة.

السيليكون :

يعتبر السيليكون أكثر مواد أشباه الموصلات شيوعًا المستخدمة في الخلايا الشمسية ، ويمثل ما يقرب من 95 ٪ من الوحدات المباعة اليوم، وهي أيضًا ثاني أكثر المواد وفرة على الأرض (بعد الأكسجين) وأشباه الموصلات الأكثر شيوعًا المستخدمة في رقائق الكمبيوتر، تتكون خلايا السيليكون البلورية من ذرات السيليكون المتصلة ببعضها البعض لتشكيل شبكة بلورية، حيث توفر هذه الشبكة بنية منظمة تجعل تحويل الضوء إلى كهرباء أكثر كفاءة.

توفر الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون حاليًا مزيجًا من الكفاءة العالية والتكلفة المنخفضة والعمر الطويل، من المتوقع أن تستمر الوحدات النمطية لمدة 25 عامًا أو أكثر ، ولا تزال تنتج أكثر من 80٪ من قوتها الأصلية بعد هذا الوقت.

الصور الضوئية الرقيقة:

تتكون الخلية الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من خلال ترسيب طبقة رقيقة أو أكثر من المواد الكهروضوئية على مادة داعمة مثل الزجاج أو البلاستيك أو المعدن. هناك نوعان رئيسيان من أشباه الموصلات الكهروضوئية الرقيقة في السوق اليوم: الكادميوم تيلورايد (CdTe) ونحاس الإنديوم الغاليوم ديسلينيد (CIGS). يمكن ترسيب كلتا المادتين مباشرة إما على الجزء الأمامي أو الخلفي من سطح الوحدة.

CdTe هي ثاني أكثر المواد الكهروضوئية شيوعًا بعد السيليكون ، ويمكن تصنيع خلايا CdTe باستخدام عمليات تصنيع منخفضة التكلفة. في حين أن هذا يجعلها بديلاً فعالاً من حيث التكلفة ، إلا أن كفاءتها لا تزال ليست عالية مثل السيليكون. تتمتع خلايا CIGS بخصائص مثالية للمواد الكهروضوئية وكفاءات عالية في المختبر ، لكن التعقيد الذي ينطوي عليه الجمع بين أربعة عناصر يجعل الانتقال من المختبر إلى التصنيع أكثر صعوبة. يتطلب كل من CdTe و CIGS حماية أكثر من السيليكون لتمكين التشغيل طويل الأمد في الهواء الطلق.

الضوئية بيروفسكيت:

تعد خلايا البيروفسكايت الشمسية نوعًا من الخلايا ذات الأغشية الرقيقة وتتم تسميتها بعد تركيبها البلوري المميز. تُبنى خلايا البيروفسكايت بطبقات من المواد المطبوعة أو المطلية أو المترسبة بالفراغ على طبقة الدعم الأساسية ، والمعروفة باسم الركيزة. عادة ما تكون سهلة التجميع ويمكن أن تصل إلى كفاءات مماثلة للسيليكون البلوري. في المختبر ، تحسنت كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل أسرع من أي مادة كهروضوئية أخرى ، من 3٪ في عام 2009 إلى أكثر من 25٪ في عام 2020. ولكي تكون خلايا البيروفسكايت الكهروضوئية قابلة للتطبيق تجاريًا ، يجب أن تصبح مستقرة بما يكفي للبقاء على قيد الحياة لمدة 20 عامًا في الهواء الطلق ، لذا فإن الباحثين تعمل على جعلها أكثر ديمومة وتطوير تقنيات تصنيع منخفضة التكلفة على نطاق واسع.

الضوئيات العضوية:

تتكون الخلايا العضوية الكهروضوئية أو OPV من مركبات غنية بالكربون (عضوية) ويمكن تصميمها لتحسين وظيفة معينة للخلية الكهروضوئية ، مثل فجوة الحزمة أو الشفافية أو اللون. تتمتع خلايا OPV حاليًا بكفاءة تبلغ حوالي نصف كفاءة خلايا السيليكون البلورية ولها عمر تشغيل أقصر ، ولكن قد يكون تصنيعها بكميات كبيرة أقل تكلفة. يمكن أيضًا تطبيقها على مجموعة متنوعة من المواد الداعمة ، مثل البلاستيك المرن ، مما يجعل OPV قادرًا على خدمة مجموعة متنوعة من الاستخدامات.

النقاط الكمية:

تقوم الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية بتوصيل الكهرباء من خلال جزيئات صغيرة من مواد أشباه موصلات مختلفة لا يتجاوز عرضها بضعة نانومترات ، تسمى النقاط الكمومية. توفر النقاط الكمومية طريقة جديدة لمعالجة مواد أشباه الموصلات ، ولكن من الصعب إنشاء اتصال كهربائي بينها ، لذا فهي ليست فعالة جدًا حاليًا. ومع ذلك ، فمن السهل تحويلها إلى خلايا شمسية. يمكن ترسيبها على ركيزة باستخدام طريقة المغلف بالدوران أو الرش أو الطابعات الدائرية مثل تلك المستخدمة في طباعة الصحف.

تأتي النقاط الكمومية بأحجام مختلفة ويمكن تخصيص فجوة النطاق الخاصة بها ، مما يتيح لها جمع الضوء الذي يصعب التقاطه وأقرانه بأشباه الموصلات الأخرى ، مثل البيروفسكايت ، لتحسين أداء الخلية الشمسية متعددة الوصلات (المزيد عن تلك الموجودة أدناه).

الصور الضوئية متعددة الوظائف:

هناك إستراتيجية أخرى لتحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية وهي وضع طبقات متعددة من أشباه الموصلات لصنع خلايا شمسية متعددة الوصلات. هذه الخلايا عبارة عن أكوام من مواد مختلفة من أشباه الموصلات ، على عكس الخلايا أحادية الوصلة ، التي تحتوي على أشباه موصلات واحدة فقط. تحتوي كل طبقة على فجوة نطاق مختلفة ، لذلك تمتص كل طبقة جزءًا مختلفًا من الطيف الشمسي ، مما يجعل استخدام ضوء الشمس أكبر من الخلايا أحادية الوصلة. يمكن أن تصل الخلايا الشمسية متعددة الوصلات إلى مستويات قياسية من الكفاءة لأن الضوء الذي لا يتم امتصاصه بواسطة طبقة أشباه الموصلات الأولى يتم التقاطه بواسطة طبقة تحتها.

في حين أن جميع الخلايا الشمسية التي تحتوي على أكثر من فجوة نطاق واحدة هي خلايا شمسية متعددة الوصلات ، فإن الخلية الشمسية التي تحتوي على فجوتين نطاقين بالضبط تسمى الخلية الشمسية الترادفية. تسمى الخلايا الشمسية متعددة الوصلات التي تجمع أشباه الموصلات من العمودين III و V في الجدول الدوري بالخلايا الشمسية متعددة الوصلات III-V.

الطاقة الضوئية المركزة:

يركز التركيز الكهروضوئي ، المعروف أيضًا باسم CPV ، ضوء الشمس على خلية شمسية باستخدام مرآة أو عدسة. من خلال تركيز ضوء الشمس على منطقة صغيرة ، يلزم تقليل المواد الكهروضوئية. تصبح المواد الكهروضوئية أكثر كفاءة حيث يصبح الضوء أكثر تركيزًا ، لذلك يتم الحصول على أعلى الكفاءات الإجمالية باستخدام خلايا ووحدات الأنظمة الفولتضوئية المركزة. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مواد أكثر تكلفة ، وتقنيات تصنيع ، وقدرة على تتبع حركة الشمس ، لذلك أصبح إثبات ميزة التكلفة الضرورية على وحدات السيليكون عالية الحجم اليوم أمرًا صعبًا.

الوسوم

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق