كيفية عمل الخلايا الشمسية الكهروضوئية

قبل الحديث عن آلية الخلايا الكهروضوئية ، علينا أن نتذكر مبدأ عمل مكونات هذه الخلايا لفهم كيفية حدوث الحركة الكهروضوئية. التفسير التالي مبسط للغاية لأن الهدف من هذه المقالة تعليمي وليس بحثيًا أو أكاديميًا.

أولاً: تنقسم المواد عمومًا إلى موصلات وعوازل وأشباه موصلات. فيما يتعلق بالمواد الموصلة ، مثل النحاس ، على سبيل المثال ، فإن سبب هذه الموصلية يعود إلى ضعف الترابط بين الإلكترونات في المدار الأخير لهذه الذرات ، مما يسهل انتقالها إلى ذراتها ، فتعويم هذه الإلكترونات عبر موصل ومرور التيار الكهربائي. على العكس من ذلك ، فإن إلكترونات المواد العازلة مثل الخشب ، على سبيل المثال ، ترتبط بشدة بذراتها ، وبالتالي لا تنتقل هذه الإلكترونات عبر العوازل ، وبالتالي لا يمر أي تيار كهربائي. بالإضافة إلى هذين النوعين من المواد ، هناك مواد لا توصل التيار الكهربائي جيدًا ولا تعتبر عازلًا جيدًا أيضًا. هذه المواد مثل السيليكون والجرمانيوم لا تفقد إلكترونات المدار الأخير بسهولة ، ولكن تصبح إلكتروناتها سهلة الحركة عندما توضع هذه المواد في ظروف معينة ، مثل رفع درجة حرارتها أو تعاطيها على سبيل المثال. هذه المواد تسمى أشباه الموصلات.

يمكن استخدام أشباه الموصلات في شكل نقي أو مشاب .على سبيل المثال ، يمكن استخدام السيليكون النقي بعد تنقية بلوراته ، أو يمكن تشطيب السيليكون بمواد إضافية مثل البورون ، مما ينتج عنه أشباه موصلات من النوع P غني بالثقوب الإيجابية ، أو يمكن تشريب السيليكون بمواد مثل الفوسفور ، مما ينتج عنه في أشباه الموصلات من النوع N الغنية بالإلكترونات السالبة.

تشكل عملية توصيل شريحة شبه موصلة موجبة من النوع P مع رقاقة شبه موصلة سالبة من النوع N ما يسمى الصمام الثنائي أو تقاطع PN. هذا الرابط هو المكون الرئيسي لنظام توليد الكهرباء الكهروضوئية. يمكنك التعمق في فهم مبدأ هذا الرابط ، ولكن ما يهمنا حاليًا هو معرفة أن هذا الرابط لا يسمح للإلكترونات بالمرور من الشريحة السالبة من النوع N إلى الشريحة الموجبة من النوع P إلا من خلال دائرة كهربائية إذا تحصل على طاقة كافية لعبور المنطقة العازلة بين الشريحتين. أي أن التيار الكهربائي يتولد ويتدفق من الشريحة الموجبة نحو الشريحة السلبية.

الخلايا الكهروضوئية ، أو الخلايا الكهروضوئية ، هي أجهزة تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. وهي مكونة من مواد شبه موصلة ، عادةً السيليكون ، تمتص الفوتونات من الشمس وتطلق الإلكترونات ، مما يخلق تدفقًا للكهرباء.

عادةً ما يتم توصيل الخلايا الكهروضوئية معًا لتشكيل لوحة شمسية ، ويمكن توصيل العديد من الألواح الشمسية لتشكيل مجموعة شمسية. الكهرباء المولدة من الخلايا الكهروضوئية هي كهرباء تيار مباشر (DC) ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى تيار متناوب (AC) بواسطة عاكس لاستخدامه في المنازل والشركات.

تعمل الخلايا الكهروضوئية على مبدأ التأثير الكهروضوئي ، والذي ينص على أنه عندما يضرب الضوء مادة ما ، فإنه يمكن أن يضرب الإلكترونات في حالة أعلى من الطاقة ، مما يسمح لها بالتدفق كتيار كهربائي. في الخلية الكهروضوئية ، تحدث هذه العملية في مادة أشباه الموصلات ، عادةً السيليكون.

عندما يصطدم ضوء الشمس بالخلية الكهروضوئية ، يتم امتصاصه بواسطة مادة أشباه الموصلات ، مما يتسبب في إثارة الإلكترونات الموجودة في المادة وتتحرك. يتم بعد ذلك جمع هذه الإلكترونات المثارة عن طريق ملامسات معدنية على سطح الخلية الكهروضوئية ، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء.

يتم تحديد كفاءة الخلية الكهروضوئية من خلال كمية ضوء الشمس التي يتم امتصاصها وتحويلها إلى طاقة كهربائية. تتزايد كفاءة الخلايا الكهروضوئية بمرور الوقت ، حيث تستطيع حاليًا الخلايا الكهروضوئية الأكثر تقدمًا تحويل أكثر من 25 ٪ من ضوء الشمس الذي يضربها إلى طاقة كهربائية.

باختصار ، الخلايا الكهروضوئية هي أجهزة تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية من خلال عملية التأثير الكهروضوئي. وهي مكونة من مواد شبه موصلة ، وعادةً ما تكون من السيليكون ، وهي متصلة ببعضها البعض لتشكيل الألواح والمصفوفات الشمسية. تتزايد كفاءة الخلايا الكهروضوئية بمرور الوقت ، مما يجعلها مصدرًا أكثر قابلية للتطبيق للطاقة المتجددة.

مكونات الخلايا الكهروضوئية

الخلية الكهروضوئية أو الخلية الكهروضوئية هي جهاز يحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. يتكون من عدة مكونات رئيسية:

1. مادة أشباه الموصلات: قلب الخلية الضوئية هو مادة أشباه الموصلات ، عادةً السيليكون ، التي تمتص الفوتونات من الشمس وتطلق الإلكترونات ، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء.

2. تقاطع PN: تنقسم مادة أشباه الموصلات إلى منطقتين ، النوع P والنوع N ، مما يخلق تقاطعًا حيث يحدث تدفق الإلكترونات.

3. الملامسات المعدنية: توضع نقاط التلامس المعدنية على سطح الخلية الكهروضوئية لتجميع الإلكترونات المثارة وإنشاء تدفق للكهرباء.

4. طلاء مضاد للانعكاس: يتم تطبيق طلاء مضاد للانعكاس على سطح الخلية الكهروضوئية لتقليل كمية الضوء المنعكس ، وبالتالي زيادة كمية الضوء التي تمتصها مادة أشباه الموصلات.

5. التغليف: يتم تغليف الخلية الكهروضوئية بمادة واقية ، عادة من الزجاج أو البلاستيك ، لحمايتها من البيئة وزيادة متانتها.

6. الثنائيات الالتفافية: تتم إضافتها لمنع أي تلف للخلية أثناء شدة الضوء أو التظليل.

7. صندوق التوصيل: يحتوي على توصيلات كهربائية ومكونات كهربائية أخرى مثل الثنائيات ، مما يسمح بتوصيل خرج التيار المستمر للخلايا بالعاكس أو أي معدات كهربائية أخرى.

تعمل هذه المكونات معًا لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية من خلال عملية التأثير الكهروضوئي. يتم تحديد كفاءة الخلية الكهروضوئية بكمية ضوء الشمس التي يتم امتصاصها وتحويلها إلى طاقة كهربائية.