الخلايا الشمسية

كتب / عبدالله العزازي

الشمس هي مصدر الحياة ومصدر الطاقات على الأرض ، فالطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض تتحول إلى شكلين رئيسيين : طاقة كيميائية وطاقة حرارية ، وكل منها يتجلى بعدة مظاهر تؤدي لنشوء عدد من الطاقات .

بدأت صناعة هذه الخلايا في الخمسينات وقد صنعت الخلية الشمسية الأولى من السليكون ومنذ ذلك الوقت وحتى الآن أدخلت تعديلات عديدة في كيفية صناعة هذه الخلايا وكذلك توسيع قاعدة المواد التي تصلح لهذه الخلايا

ولا زالت الأبحاث جارية في هذا المضمار وذلك لتخفيض تكلفة هذه الخلايا التي لا زالت عالية حتى الآن ، ويتم حالياً البحث عن نماذج خلاف الخلايا السيليكونية مثل : – كادميوم سيلينيوم – كبريتيد النحاس – كبريتيد كادميوم

فهذه الطاقة تتميز بمواصفات تجعلها الأفضل بدون منازع لجميع أنواع الطاقات الأخرى ، فهي :

1- طاقة هائلة يمكن استغلالها في أي مكان

2- تشكل مصدراً مجانياً للوقود الذي لا ينضب .

3- طاقة نظيفة لا تنتج أي نوع من أنواع التلوث البيئي .

4- محدودية مصادر الطاقة التقليدية .

فكرة العمل

الخليَّة الشمسيّة عبارةٌ عن أداةٍ شبه مُوصلة ذات بناءٍ بسيط، وظيفتُها تحويل الفُوتونات الموجودة في أشعّة الضّوء إلى أشكالٍ من الطّاقة يستطيعُ الإنسان الاستفادة منها، والطّريقة الأساسيّة للقيام بهذا التّحويل هي السَّماحُ للخليَّة الشمسيّة بامتصاص الفُوتونات وإسقاطِها على سطحِ كريستاليّ مُكوَّنٍ من أحد العناصر الكيميائيّة.

والخاصيَّةُ الكريستاليّة أو البلوريَّة تُشير إلى أنَّ ذرّات هذا العُنصر مُرتَّبة على المُستوى الجُزيئيّ بنمطٍ ثابت دقيق جدّاً، ويُعتَبر السّيليكون العُنصر الأكثر رواجاً لاستعماله في هذه الوظيفة بسبب امتلاكه خواصّاً مُشتركةً ما بين المعادن (المُوصلة للكهرباء) والعوازل (المانعة للكهرباء)، وبالتّالي يُؤدّي دوراً جوهريّاً في تكوين الخليَّة.

والخلية الشمسية هي رقاقة رفيعة من السيليكون تعطي من جانب واحد شحنة إيجابية، ومن الجانب الآخر شحنة سلبية. وتولد الخلايا الشمسية قدرة كهربائية عندما تتعرض لضوء الشمس حيث الفوتونات التي يحمل كلّ منها كماً محدوداً من الطاقة يكسب الإلكترونات الحرة طاقة تجعلها تهتز حرارياً وتكسر الرابط الذري بالشبكة.

تنطلق بعد ذلك حاملات الشحنة هذه متجهة نحو وصلة الثنائي، متنقلة بين نطاقي التوصيل والتكافؤ عبر الفجوة الطاقوية، وتتجمع عند السطح الأمامي والخلفي للخلية محدثة سريان تيار كهربي مستمر عند توصيل الخلية بمحمل كهربائي، وتبلغ القدرة الكهربائية المنتجة للخلية الشمسية عادة “واتاً” واحداً.

صناعة الخلايا الشمسية

يتم تصنيع الخلايا الشمسية في الأساس من مادة السيليكون ولا يتم استخدام مادة السيليكون لأنها عبارة عن أفضل أشباه الموصلات لاستخدامها في صناعة الخلايا الشمسية إلّا أنّها تعتبر من المواد المتوافرة في الطبيعية بشكل كبير ولثمنها المعقول ولأسباب أخرى

 وتبدأ عملية تصنيع الخلايا الشمسية بالسيليكون الشديد النقاوة ثم وبعد ذلك يتم تسخين هذا السيليكون إلى درجة الانصهار ويتم إضافة عنصر البورون إليه لتكوين شبه الموصل الموجب (P-type semiconductor) والذي يحمل الشحنة الموجبة، ويتم بعد ذلك تشكيلها على شكل كتل باستخدام الصب أو طرق ومن ثم يتم تقطيع هذه الكتل إلى شرائح رقيقة باستخدام المناشير السلكية ومن ثم تنظيفها

 وبعد ذلك يتم وضع هذه الألواح في أفران نشر للفسفور بحيث يتم نثر مادة الفسفور على جوانب الرقاقات لتكوين طبقة من أشباه الموصلات السالبة (N-type semiconductors) ومن ثم يتم رش هذه الرقاقات بطبقات متعددة من المواد الكيميائية لتقليل انعكاسية أشعة الشمس على الخلية

 كما تقوم بعض الشركات المصنعة قبل ذلك بجعل سطح الرقاقة أكثر خشونة من أجل تقليل النعكاس وزيادة المساحة التي تسقط عليها الأشعة، ومن ثم يتم طبع موصلات كهربائية على الجزء السالب من الرقاقة ودهن ظهر الرقاقة بمادة الألمنيوم ومن ثم يتم اخبار الرقاقات وتجميعها في مصانع أخرى على شكل ألواح شمسية ووضع طبقات زجاجية خاصة لحماية الرقاقات وزيادة القدرة الامتصاصية للرقاقات وتقليل الانعكاس لها.

الأهمية والاستخدام

تعتبر خلايا الطاقة الشمسية من أفضل التقنيات الواعدة التي تسخر طاقة الشمس، حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلى طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة، وستتحول الى صناعة استراتيجية باعتبارها المصدر المستقبلي للطاقة النظيفة، ومن دون مخلفات أو أخطار.

ويتركز الاهتمام على إدخال الفولت ضوئيات كمصدر للطاقة المتجددة في التطبيقات الأرضية، بغية تطوير التقنية ووسائل الاستخدام في قطاع السكن والصحة والتعليم والصناعة والزراعة والنفط وغيرها في الاستخدامات، خصوصا المناطق المعزولة والنائية حيث تنقص تكلفة شبكات الكهرباء العامة وتساعد في الإنماء الاقتصادي والتطوير الاجتماعي المحلي.

أنواع الخلايا الشمسية

1. خلية تصنع من السليكون أحادي التبلر: (mono crystalline) وهو عبارة عن خلايا قُطعت من بلورة سيليكون مفردة وكفاءة هذا النوع من الخلايا من 11 إلى 16% مما يعني أن امتصاص الخلايا من الإشعاع القادم من الشمس الذي تبلغ قوته 1000 وات لكل متر مربع وذلك في يوم مشمس بالقرب من خط الاستواء أي أن الواحد متر مربع من هذه الخلايا يمتص الإشعاع الشمسي بهذه الكفاءة ينتج ما بين 110 إلى 160 وات.

2. خلايا عديدة التبلر (multy crystalline) وهي عبارة عن رقائق من السليكون كُشطت من بلورات سليكون أسطوانية ثم تعالج كيميائيا في أفران لزيادة خواصها الكهربية وبعد ذلك تغطي أسطح الخلايا بمضاد الانعكاس لكي تمتص الخلايا أشعة الشمس بكفاءة عالية وكفاءة هذا النوع من 9 إلى 13%.

3. الخلايا المورفية أو خلايا الفيلم الرفيع (amorphous) وفيها مادة السيليكون تترسب على هيئة طبقات رفيعة علي أسطح من الزجاج أو البلاستيك لذلك فإن تصنيع هذه الخلايا يتم بتقنية سهلة ولكن كفاءتها أقل من 3 إلى 6% وأسعارها أيضا أقل.

 وهي مناسبة لتطبيقات من 40 وات إلى ما أقل.

البطاريات

    البطاريات تتراوح من 12 فولت (20 امبير \ساعة) الي 16850 امبير\ساعة (2 فولت) ويتراوح عمر البطارية التي صممت عليه من 8 – 15 – 18 – 20 سنة.

لمبات اضاءة مزودة بخلايا شمسية بداً من الكشاف اليدوي حتي اللمبة الفلوروسنت الخطية ولهذه اللمبات ميزات رائعة حيث أنها من الممكن ان تشحن من الكهرباء العادية بالإضافة لشحنها من الخلايا الشمسية من الممكن ان تشحن من بطارية السيارة من الممكن ان تشحن منها الهاتف المحمول وأيضاً هناك أعمدة انارة تعمل بالخلايا الشمسية وبطاريات للإضاءة الليلية.

كريستيلات الخلايا الضوئية

غالبا ما تكون الخلايا الشمسية مرتبطة كهربائيا وتصنف كوحدة نمطية.غالبا ما يكون لوح من الزجاج على الجهة العليا باتجاه الشمس إلى الأعلى وعلى الجانب، مما يسمح للضوء بالمرور مع حماية رقائق أشباه الموصلات من الاحتكاك والتأثر بسبب الرياح يحركها الحطام، والمطر والبرد، وأيضا غير ذلك الخلايا الشمسية مرتبطة عادة في سلسلة وحدات، إن ربط الخلايا بشكل متواز يحقق أعلى إنتاجية، إلا أن ال مشاكل كبيرة جدا مع وجود الترتيب بالتوازي.