الخلايا الشمسية واستخداماتها
الخلايا الشمسية: هي عبارة عن جهاز يحول طاقة الضوء مباشرة إلى طاقة كهربائية عن طريق التأثير الكهروضوئي وتسمى أيضاً (الخلية الضوئية)، وتعد الخلايا الشمسية موفّراً أساسياً للطاقة حيث لا تحتاج إلى تفاعلات كيميائية أو وقود لإنتاج الطاقة الكهربائية، وعلى عكس المولدات الكهربائية ، فإنها لا تملك أي أجزاء متحركة. وقد توجد الخلايا الشمسية على شكل تكوينات صغيرة تسمى ألواح الخلايا الشمسية بحيث تستخدم في المنازل لاستبدال مصدر الطاقة التقليدي، كما تستخدم هذه الألواح في العديد من المواقع الجغرافية البعيدة التي يصعب توفير مصادر الطاقة التقليدية فيها، وقد تكون الخلايا الشمسية على شكل مجموعات كبيرة تسمى (المصفوفات)، بحيث تتألف من عدة آلاف من الخلايا الفردية، وتُستخدم لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية لتوزيعها على مناطق التجمعات الصناعية، والسكنية، والتجارية، عن طريق محطات كهربائية مركزية، كما تستخدم الخلايا الشمسية في تزويد الطاقة لمعظم المركبات والأجهزة الفضائية مثل المحطات الفضائية والأقمار الصناعية ، حيث إنها لا تستهلك الوقود لأنها ثابتة كما أنها لا تحتاج لصيانة مستمرة، وتُستخدم أيضاً في صنع الألعاب الإلكترونية والحاسبات المحمولة وأجهزة الراديو المحمولة، وغيرها من الأجهزة.
تركيب الخلايا الشمسية
تحتوي الخلايا الشمسية على مواد شبه موصلة (مثل السليكون، وفوسفيد الإنديوم، وسيلينايد الإنديوم النحاسي) والتي تعمل على تحويل الطاقة الضوئية للشمس إلى طاقة كهربائية، وتحتوي بشكل أساسي على طبقة مضادة للانعكاس لتقليل فقدان الضوء، وعادةً ما تتكون الطبقة المضادة للانعكاس من أكسيد السيليكون، أو التنتالوم، أو التيتانيوم، الذي يتشكّل على سطح الخلية عن طريق الطلاء المغزلي أو تقنية الترسيب بالفراغ، ويوجد تحت الطبقة المضادة للانعكاس ثلاث طبقات رئيسية وهي: طبقة التوصيل العليا، والطبقة الممتصة، والطبقة الخلفية. كما تحتوي الخلية على طبقتين كهربائيتين موجبة وسالبة، طبقة التلامس الكهربائي (الموجبة) والتي توجد على وجه الخلية وتتكون من شريحة مأخوذة من بلورات السليكون الأحادية مضافاً إليها بعض الشوائب من عنصر ثلاثي التكافؤ مثل البورون، وطبقة الاتصال الكهربائي الخلفية (السالبة) والتي تتكون من السليكون النقي والمضاف إليها بعض الشوائب لعنصر خماسي التكافؤ مثل الفوسفور، وتعمل كلا الطبقتين معاً على نقل التيار الكهربائي من وإلى الخلية الشمسية.
آلية عمل الخلايا الشمسية
عند سقوط الأشعة الشمسية على الخلية الشمسية تعمل الطبقة المضادة للانعكاس على احتجاز الضوء الساقط بفعالية عن طريق تعزيز انتقاله إلى الطبقات التالية، وعندما تتعرض الشريحة السالبة لأشعة الشمس فإن طاقة الفوتونات تنتقل إلى الإلكترونات في منطقة التكافؤ لتصبح قادرة على الانتقال إلى منطقة التوصيل في الشريحة السالبة، وبالمقابل تنتقل الفجوات الموجبة إلى منطقة التوصيل بالشريحة الموجبة، لينتج عن ذلك فرق جهد بين سطحي الوصلة الثنائية، ويمكن الربط بين السطحين بواسطة موصل كهربائي للحصول على تيار كهربائي في دائرة كهربائية، حيث تمر الإلكترونات من الوصلة السالبة إلى الوصلة الموجبة في الدائرة الكهربائية ، وبذلك قمنا بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. ومن الجدير ذكره، أنه عند فتح الدارة الخارجية للخلية، تنتج الخلية شدة تيار قيمته 0.07 أمبير وفرق جهد قيمته 0.6 فولت، وبذلك تنتج قدرة كهربائية قيمتها 0.04 واط ( حسب العلاقة: القدرة الكهربائية = التيار× فرق الجهد)، فإذا أردنا تشغيل مضخة قدرتها 187 واط سنحتاج إلى مصفوفة من مئات الخلايا الشمسية المتصلة على التوالي والتوازي، بحيث تحدد الخلايا المتصلة على التوالي مقدار فرق الجهد المولَد، في حين تمثل الخلايا المصفوفة على التوازي شدة التيار الكهربائي ، كما يجب الأخذ بالاعتبار أن المتر المربع الواحد من المصفوفة يولّد تياراً مقداره 4 أمبير وقدرة كهربائية بمقدار 48 واط، ولتشغيل المضخة ستحتاج إلى 4 مصفوفات مساحة كل منها متر مربع، وتحتوي على 5000 خلية شمسية متصلة على التوالي والتوازي.
تطور الخلايا الشمسية
قام العالم (بيكرل) في عام 1839 بدراسة تأثير الضوء في بعض المعادن ، والمحاليل، وخصائص التيار الكهربائي الناتج عنها، حيث لاحظ الأثر الكهروضوئي عليها، وقام العالمان (آدم وسميث) في عام 1877 بإظهار مفهوم الناقلة الكهربائية الضوئية لأول مرة، كما استطاع العالم (فريتز) في عام 1883 من تركيب أول خلية شمسية من مادة السيلينيوم، ومع تطور نظريات ميكانيكا الكم استطاع العلماء فسير الظواهر المرتبطة بالكهرباء الضوئية، حيث تم تفسير ظاهرة الحساسية الضوئية لمواد مثل السيليكون، وأكسيد النحاس، وكبريت الرصاص، وكبريت الثاليوم، وفي عام 1941 تم تصنيع أول خلية شمسية مكونة من السيليكون بكفاءة عمل أقل من 1%، وفي منتصف الخمسينيات تم صنع البطارية الشمسية بكفاءة 6%، كما تم ابتكار الخلايا الشمسية ذات الأفلام الرقيقة والمصنوعة من كبريتيد الكاديوم، وكبريتيد النحاس، ومع اتساع بحوث التطوير في العلوم الفيزيائية ودراسة التبادلات الكهربائية الضوئية، حدث تطور في صناعة الخلايا الشمسية بتحسين كفاءتها وخفض تكلفتها، حيث زاد مقدار الطاقة الناتجة عن الخلايا من ميللي واط إلى الكيلو واط، وازداد تطور الخلايا الشمسية في فترة السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين؛ بسبب تطور علوم التركيب المجهرية الدقيقة لأشباه الموصلات، وأصبحت الخلايا الشمسية (الكهروضوئية) في تلك الفترة إحدى أهم الطرق العلمية الطموحة التي يمكن عن طريقها توليد الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة المتجددة في الطبيعة (الطاقة الشمسية)، ومع ازدياد استهلاك الطاقة تم إنشاء مجمعات الخلايا الشمسية (المصفوفات) والتي ساهمت بشكل كبير في خفض تكلفة استهلاك الطاقة بصورة معقولة ووصل إنتاجها إلى عشرات الميغاوات.
