ما هي الخلية الكهروضوئية؟
الخلية الكهروضوئية (بالإنجليزية: Photovoltaic Cell) عبارة عن جهاز إلكتروني متخصص مصنوع من أشباه الموصلات، يقوم بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية باستخدام ظواهر كيميائية وفيزيائية مختلفة، وتُعرف الخلية الكهروضوئية أيضًا باسم الخلية الشمسية، كما يُطلق على تحول الطاقة في الخلية الكهروضوئية اسم التأثير الكهروضوئي، الذي اكتشفه الفيزيائي الفرنسي إدموند بيكريل في عام 1839.
لم يكن للخلايا الكهروضوئية تطبيق عملي في تكنولوجيا الأقمار الصناعية إلا في الستينيات من القرن الماضي، كما أن الألواح الشمسية، المكونة من وحدات الخلايا الكهروضوئية، بدأت بالوصول إلى أسطح المنازل في نهاية الثمانينيات، وأصبحت تنمو الطاقة الكهروضوئية بشكل كبير منذ بداية القرن الحادي والعشرين، من خلال إنشاء مزارع شمسية ضخمة.
أنواع الخلايا الكهروضوئية
فيما يلي أهم أنواع الخلايا الكهروضوئية، وتوضيح لخصائص كل نوع:
الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة
هناك أربع مواد شائعة تُستخدم لصنع الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة وهي الكادميوم تيلورايد (CdTe)، والسيليكون غير المتبلور (a-Si)، وسيلينيد النحاس الإنديوم الغاليوم (CIGS)، وأرسينيد الغاليوم (GaAs).
لا تحظى الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة بشعبية كبيرة مثل خلايا السيليكون البلورية التقليدية للتركيبات السكنية والتجارية، حيث تعتبر أقل كفاءة من خلايا السلكون التقليدية، ومع ذلك، قامت شركات مثل First Solar ببناء أعمال تجارية كاملة على إنتاج الألواح من الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة مثل خلايا CdTe، من أجل المرافق الكبيرة أو المنشآت الشمسية للشركات بشكل أساسي.
الخلايا الشمسية العضوية
الألواح الشمسية المصنوعة من الخلايا الشمسية العضوية ليست قابلة للتطبيق تجاريًا بعد، لكن الألواح الشمسية العضوية لها خصائص مشابهة للألواح ذات الأغشية الرقيقة، وإن أكبر اختلاف بينهما هو المادة المستخدمة في صناعة هذه الأنواع، ففي حين أن الألواح الشمسية التقليدية والرقيقة مصنوعة من السيليكون أو أشباه موصلات أخرى مماثلة، فإن الخلايا الشمسية العضوية مصنوعة من الكربون، وغالبًا ما يشار إليها باسم "الخلايا الشمسية البلاستيكية" أو "الخلايا الشمسية البوليمرية".
أيضًا تتميز الخلايا الشمسية العضوية بالمرونة والمتانة، ويمكن حتى أن تكون شفافة، فقد ظهر ما يسمى بالنوافذ الشمسية، والتي أصبحت منتجًا واسع الانتشار، فقد يتم بناؤها بخلايا شمسية عضوية شفافة.
خلايا بيروفسكايت الشمسية
"البيروفسكايت" هو أي مادة لها نفس التركيب البلوري لمركب أكسيد التيتانيوم والكالسيوم، وهو مادة شبه موصلة تشبه إلى حد كبير السيليكون، ومثل الخلايا الشمسية العضوية، لا تتوفر البيروفسكايت على نطاق واسع حتى الآن، ومع ذلك، فإن تكاليف الإنتاج المنخفضة والكفاءات العالية تجعلها خيارًا مثيرًا للاهتمام حيث تستمر صناعة الطاقة الشمسية في التوسع وتطوير خيارات أفضل لإنتاج الطاقة الشمسية.
مبدأ عمل الخلايا الكهروضوئية
لا تحتاج الخلايا الكهروضوئية بالضرورة إلى ضوء الشمس لتحويل الضوء إلى طاقة كهربائية، حيث يمكنها أيضًا تحويل مصدر اصطناعي للضوء إلى طاقة كهربائية، وتشمل الخطوات المتضمنة في إنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة الخلايا الكهروضوئية ما يلي:
- يتم امتصاص الضوء بواسطة إلكترونات المادة (السيليكون عادةً)، مما يؤدي إلى تكوين زوج إلكترون-ثقب (electron-hole).
- يؤدي تكوين أزواج إلكترون-ثقب إلى فصل الجسيمات المشحونة إلى سالبة وموجبة.
- تولد الشحنات المنفصلة فرق جهد ، وبالتالي يتم إنتاج التيار الكهربائي.
أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية
تُستخدم الخلايا الكهروضوئية في أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء، وحاسبات شدة الضوء، والمراوح الشمسية، والسخانات الشمسية، والألواح الشمسية لإنتاج الطاقة الشمسية للمنازل أو المكاتب، إذ تتكون اللوحة الشمسية من مئات أو آلاف الخلايا الكهروضوئية المركبة معًا على هيئة وحدة خلية ضخمة.
