كيف تعمل الخلايا الشمسية

قبل الخلايا الشمسية كان احتراق الوقود هو مصدر الطاقة الوحيد، فهي تقوم بتسخير أشعة الشمس لتوليد الكهرباء، فكيف تعمل الخلايا الشمسية؟

4 إجابات

تعمل الخلايا الشمسية

تعمل الخلايا الشمسية على تحويل طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية مباشرةً بالاعتماد على التأثير الكهروضوئي دون الحاجة إلى وقود أو تفاعلات كيميائية، وتتكون هذه الخلايا الشمسية من عدة طبقات مصنوعة من مواد موصلة معدنية وأشباه موصلات كالسيليكون إذ يوجد نوعين منه يختلفان عن بعضهما بنوع الذرات المضافة :

  • السيليكون من النوع p: ينتج عن إضافة ذرات البورون أو الغاليوم (تحتوي في مدارها الخارجي على عدد إلكترنات أقل السيليكون) إلى السيليكون، وبالتالي يظهر ما يسمى بالثقوب الإلكترونية الموجبة الشحنة (ناتجة عن نقص الإلكترونات اللازمة لتشكيل الروابط).
  • السيلكون من النوع n: ينتج عن إضافة ذرات تحتوي في مدارها الخارجي على الكترونات تفوق عدد الكترونات السيليكون كالفوسفور إذ تشكل هذه الذرات روابط مع ذرات السيليكون المجاورة لها ويبقى الكترون واحد حر لا يشارك في الترابط.

يتوضع النوعين السابقين على شكل طبقتين متجاورتين في الخلية الشمسية، فعند سقوط أشعة الشمس على الخلية تعمل على تحرك الالكترونات من الطبقة الغنية بها إلى الطبقة الغنية بالثقوب الموجبة ويتم هذا الانتقال عن طريق المواد الموصلة المعدنية، مما يؤدي في النهاية إلى توليد تيار كهربائي.

تترتب الخلايا الشمسية في مصفوفات وألواح حيث يستخدم أصحاب المنازل الألواح الشمسية فوق أسطح منازلهم لاستبدال الإمدادات التقليدية للطاقة الكهربائية أو للحصول على الطاقة في المواقع البعيدة عن محطات التزويد، كما تؤمن الخلايا الشمسيّة الطاقة لمعظم المنشآت الفضائية والأقمار الصناعية، وقد تم استخدام الخلايا الشمسية في الأجهزة الإلكترونية كألعاب الأطفال والآلات الحاسبة وأجهزة الراديو المحمولة.

أكمل القراءة

إن عمل الخلايا الشمسية هو الاستفادة من الأشعة الضوئية القادمة من الشمس لتوليد الكهرباء، ويُعرف ذلك بالفعل الكهرضوئي، فالمادة التي تُصنع منها هذه الخلايا تُسمى بأنصاف النواقل التي تتماز بالقدرة على توظيف الخواص الكهرضوئيّة، والتي تتم عبر مراحل:

  1. تسقط الأشعة الشمسية على هذه الخلايا، وتضم هذه الأشعة جسيمات صغيرة تدعى الفوتونات، والتي تُمتص من قبل الخلايا الشمسية، وبالتالي يحدث انتقال لطاقة الفوتانات إلى الطبقات السطحية، مما يؤدي إلى تحرُّر الإلكترونات من مدارتها وإتطلاقها.
  2. يجب أن تتحرك الإلكترونات باتجاه محدد، لذا تحتاج الخلايا الشمسية إلى إنشاء مجال كهربائي، مثل المجال المغناطيسي، الذي يتم عبر الأقطاب المتقابلة، وللحصول على هذا المجال، يتم إضافة الفوسفور للطبقة العليا من السيليكون، مما يضيف إلكترونات إضافية أيّ شحنة سالبة، إلى تلك الطبقة. في الجهة المقابلة، يُضاف البورون للطبقة السفلية أيّ تصبح ذات شحنة موجبة.
  3. أخيرًا يجب تحويل هذا التيار لطاقة قابلة للاستخدام، لذا نستخدم موصلات معدنية على جانبي الخلية، التي تقوم بجمع الإلكترونات ونقلها إلى الأسلاك. عند هذه النقطة، يمكن أن تتدفق الإلكترونات مثل أي مصدر آخر للكهرباء.

أكمل القراءة

الخلية الشمسية هي عبارة عن جهاز كهروضوئي تتألف من طبقة زجاجية غير عاكسة لأشعة الشمس، تحتها طبقة من الأسلاك النحاسية الموصلة للكهرباء، ثم تليها طبقة من بلورات السيليكون ذات الشحنة السالبة، ويطلق عليها كهروضوئية لأن لها القدرة على إطلاق الإلكترونات عند تعرضها لأشعة ضوئية بقوة عالية، فتحول طاقة ضوء الشمس المباشرة (الفوتونات) إلى طاقة كهربائية،

يُستخدم السيليكون في صناعة الألواح الشمسية لأنه يُعتبر مادة فعالة وذات قدرة عالية على امتصاص ضوء الشمس، ثم تُحرّر طاقة الفوتونات الإلكترونات الموجودة في مادة السيليكون وترفع من طاقتها الحركية، ونتيجة الحركة المستمرة للإلكترونات خارج مدارها يتولد بين طرفي مادة السيليكون فرق كمون كهربائي يوجه الإلكترونات ذات الشحنة السالبة باتجاه واحد.

فتُشحن طبقة الفوسفور المضافة إلى الطبقة العليا من السيليكون بشحنة سالبة، وفي المقابل تُضاف مادة البورون إلى قلب مادة السيليكون في الطبقات العميقة ما يكسبها شحنة موجبة، والذي يجعل الإلكترونات تسير باتجاه واحد بسبب فرق الكمون الذي تُحدثه الطبقتان الداخلية والخارجية للسيليكون.

تتجه الإلكترونات على شكل تيار كهربائي إلى أسلاك معدنية توصل بالخلية الشمسية لامتصاص التيار الكهربائي المتدفق نحوها، وتحويله إلى المعدات الكهربائية المراد استخدامها أو إلى بطاريات لتخزين الطاقة الكهربائية واستخدامها لاحقاً.

أكمل القراءة

ظهر في الآونة الأخيرة انتشار واسع للخلايا الشمسيّة (الخلايا الكهروضوئيّة) لتوليد الطاقة الكهربائيّة كونها طاقة نظيفة وصديقة للبيئة، ولا تُصدر أي ضجيج مصنوعة من عدد كبير من أشباه الموصلات السليكونيّة بعدّة أنواع، يبرز استخدامها للتدفئة المنزليّة، وتسخين المياه، وشحن بطاريّات كبيرة وصغيرة لإنارة وتغذية بعض الأبنية كون صيانتها سهلة وأقل تكلفة مقارنة بأنواع الطاقة الأخرى.

مبدأ عمل الخلايا الشمسية:

  • تمتص الخلايا الشمسيّة طاقة الشمس المكوّنة من فوتونات (جسيمات صغيرة) بفعل غير عكوس نتيجة المادة المطليّة بها، تنتقل طاقة الفوتونات إلى أّول طبقة من السيليكون بعد اصطدامها به.
  • تسبّب هذه الطاقة تحرير الكترونات ذرّات السيليكون من مداراتها وتحريكها.
  • ينتج فرق جهد بين طرفي مادة السليكون تّوجه الالكترونات باتجاه واحد ويتم دعم هذه الحركة من قبل الشركات المُصنّعة للخلايا الشمسيّة بإضافة فوسفور إلى طبقة السيليكون السطحيّة فتزداد سلبيّتها ومادة البورون إلى الطبقات الأخرى فتزداد إيجابيّتها وبذلك تتوجّه الالكترونات بشكل أكبر.
  • يتولّد تيار كهربائي الذي هو عبارة عن حركة الكترونات باتجاه واحد وينتقل إلى الأسلاك  الموصولة معه لتغذية الأجهزة المطلوبة ويختلف توليد التيار الكهربائي باختلاف مُعدّل الإشعاع الشمسي الذي صُمم على أساسه اللوح الشمسي وأي زيادة في الإشعاع تؤثر بشكل سلبي على كفاءة الخليّة أو اللوح الشمسي.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "كيف تعمل الخلايا الشمسية"؟