أنواع الخلايا الكهروضوئية .. وكيفية عملها

ما هي الخلية الكهروضوئية

الخلية الكهروضوئية هي جهاز متخصص مصنوع من مواد شبه موصلة يحول الضوء المرئي إلى تيار كهربائي مستمر. تستخدم الخلايا الكهروضوئية كجزء من أنظمة الطاقة الشمسية والكهربائية، وهي ضرورية لإنتاج الكهرباء. ومع ذلك، لا يمكن للخلية الكهروضوئية وحدها توليد كمية كافية من الطاقة المتجددة لتشغيل منزل بالكامل. لذلك، نحتاج إلى توصيل عدة خلايا شمسية معا لإنشاء لوحة شمسية فعالة. ويجب تركيب مجموعة كاملة من الألواح الشمسية لتوليد كمية كافية من الطاقة لمنزل سكني

أنواع الخلايا الكهروضوئية 

هناك نوعان رئيسيان من الخلايا الكهروضوئية المستخدمة اليوم: أحادية البلورية وخلايا متعددة البلورات، كما أن هناك طرق أخرى لجعل الخلايا الكهروضوئية على سبيل المثال خلايا الأغشية الرقيقة، خلايا العضوية، أو بيروفسكايت، فيما يلي نتعرف عليهم بالتفصيل:

• تشمل خلايا السيليكون الكهروضوئية الأحادية البلورة والمتعددة الكريستالات

تكون الخلية الشمسية الأحادية البلورية من عنصر السيليكون ببلورة واحدة، وتتم صناعة الخلايا الشمسية المتعددة الكريستالات عن طريق إذابة شظايا بلورات السيليكون معا. وهذا الفرق الرئيسي بين الخلايا الأحادية والمتعددة هو أن الأولى تعمل بكفاءة أعلى، وذلك بسبب استخدام بلورة واحدة من السيليكون التي تسمح بتدفق أسهل للإلكترونات المتولدة، بينما الخلايا المتعددة تحتوي على شظايا من السيليكون محاذاة في العديد من الاتجاهات المختلفة مما يجعل تدفق الكهرباء أكثر صعوبة. وعلى الرغم من ذلك، فإن الخلايا المتعددة عادة ما تكون أقل تكلفة من الخلايا الأحادية، لأن عملية تصنيعها أبسط وأقل تكلفة.

• الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة

تعتبر الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة من الخلايا الشمسية الأنحف والأخف وزنا، وعادة ما تكون مرنة على الرغم من قوتها. هناك أربعة مواد شائعة تستخدم في صنع هذه الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة: كادميوم تيلورايد (CdTe)، السيليكون غير المتبلور (a-Si)، سيلينيد النحاس الإنديوم الغاليوم (CIGS)، وأرسينيد الغاليوم (GaAs).

تعتبر خلايا الطاقة الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة أقل شعبية من الخيارات البلورية التقليدية للسيليكون في تركيبات المباني السكنية والتجارية. وبالرغم من كون الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة أقل كفاءة من الألواح الشمسية البلورية ، فإنها لا تستطيع إنتاج الكهرباء الكافية لمعظم المنازل والشركات. ومع ذلك، قامت بعض الشركات بتطوير صناعة خلايا الطاقة الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة للاستخدام الأساسي في المرافق الكبيرة والمنشآت الشمسية للشركات

• الخلايا الكهروضوئية العضوية

على الرغم من عدم قابلية الألواح الشمسية المصنوعة من الخلايا الشمسية العضوية للاستخدام التجاري، إلا أن لها نفس فوائد الألواح الرقيقة ذات الأغشية، ويختلف أساسًا بين الخلايا الشمسية العضوية والألواح التقليدية والرقيقة هو تكوينها، حيث تصنع الألواح التقليدية والرقيقة من السيليكون.

تتميز الخلايا الشمسية العضوية، التي تصنع من مواد قائمة على الكربون، بالمرونة والمتانة، ولذلك يشار إليها باسم `الخلايا الشمسية البلاستيكية` أو `الخلايا الشمسية البوليمرية`، كما يمكن أن تكون شفافة 

• خلايا بيروفسكايت الكهروضوئية 

“البيروفسكايت” هي مادة يكون لها نفس التركيبات البلورية لمركب أكسيد التيتانيوم ومركب الكالسيوم وهي عبارة عن مادة شبه موصلة وتشبه إلى السيليكون، تستخدم خلايا البيروفسكايت الشمسية مادة من صنع الإنسان قائمة على أكسيد التيتانيوم والكالسيوم لإنشاء نوع آخر من الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.

على الرغم من عدم توفر البيروفسكايت بشكل كبير كخلايا شمسية عضوية، إلا أن تكاليف الإنتاج المنخفضة والكفاءات المحتملة العالية تجعلها خيارًا مثيرًا للاهتمام في صناعة الطاقة الشمسية التي تستمر في التوسع وتطوير خيارات أفضل وأفضل لإنتاج الطاقة الشمسية.

كيف تعمل الخلايا الكهروضوئية 

تنتج الخلايا الشمسية الكهروضوئية الكهرباء من خلال امتصاص ضوء الشمس واستخدام تلك الطاقة الضوئية لتوليد تيار كهربائي، ويحتوي لوح الشمسية الواحد على العديد من الخلايا الكهروضوئية، ويتم جمع التيار الناتج من جميع الخلايا معا لتوفير الكهرباء الكافية لتزويد منزلك بالطاقة، ويتألف لوح الشمسية القياسي المستخدم في المنازل من 60 خلية متصلة ببعضها البعض، ويستخدم الألواح الشمسية التجارية أحجاما أكبر تحتوي على 72 خلية ضوئية أو أكثر، وتعمل الخلايا الكهروضوئية الشمسية في ثلاث خطوات عامة

• يمتص الضوء ويفقد الإلكترونات
• تتدفق الإلكترونات السائبة مما يخلق تيارًا
• يتم التقاط التيار ونقله إلى أسلاك

يُعَدُّ التأثير الكهروضوئي عملية معقدة، ولكن هذه الخطوات الثلاث هي الطريقة الأساسية التي يتم بها تحويل الطاقة من الشمس إلى كهرباءٍ يمكن استخدامها عبر الخلايا الشمسية في الألواح الشمسية.

كيفية عمل خلايا السيليكون الكهروضوئية

تتميز خلايا السيليكون الكهروضوئية بامتصاصها للفوتونات الكهروضوئية وتوليدها للتيار الكهربائي ، وتختلف هذه العملية اعتمادًا على نوع تقنية الطاقة الشمسية ، وهناك بعض الخطوات المشتركة التي تتبعها جميع خلايا السيليكون الكهروضوئية الشمسية

• تمتص الخلية الكهروضوئية الضوء وتفقد الإلكترونات

أولاً: تعتمد خلايا الطاقة الشمسية على تحويل الطاقة الضوئية إلى كهربائية، حيث يتم استخدام خلية كهروضوئية تتألف من مادة شبه موصلة عادةً ما تكون من السيليكون، حيث يتم امتصاص الفوتونات المتمثلة في الضوء، وتحرير الإلكترونات من الذرات في المادة، وتوليد تيار كهربائي يمكن استخدامه في المنازل.

• تحدث تدفق الإلكترونات لتشكيل تيار كهربائي

تحتوي الخلايا الشمسية على طبقتين من السيليكون، ويتم معالجة كل طبقة بشكل مختلف (تسمى “المنشطات”) لإنشاء حقل كهربائي، مما يعني أن أحد الجانبين له شحنة موجبة صافية والآخر له شحنة سالبة صافية. يتسبب هذا الحقل الكهربائي في تدفق الإلكترونات غير المرتبطة في اتجاه واحد عبر الخلية الشمسية، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي

• يتم تجميع التيار الكهربائي ودمجه مع خلايا شمسية أخرى

عندما تُولِّد تيارًا كهربائيًا بواسطة إلكترونات مفكوكة، تَجْمَع الصُّفَائِح المعدنية الموجودة على جانبي كل خلية شمسية تِلك الإلكترونات وتنقلُها إلى الأسلاك، وفي هذه المرحلة يُمْكِنُ أن تتدفق الإلكترونات عبر الأسلاك ككهرباء إلى عاكِسِ شمسي ثم في جميع أنحاء منزلك.

كيفية زيادة كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية

كفاءة الخلية الكهروضوئية هي مقدار الطاقة الكهربائية التي تخرج من الخلية مقارنة بالطاقة من الضوء الساطع عليها، وهو يوضح مدى فعالية الخلية في تحويل الطاقة، وهناك مجموعة متنوعة من العوامل الداخلية والخارجية للخلايا الشمسية مثل شدة الضوء وطول الموجة التي تؤثر على كمية الكهرباء التي يمكن أن تنتجها الخلية الكهروضوئية. 

أحد العناصر المهمة في أشباه الموصلات الكهروضوئية هو نطاق الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للمادة امتصاصها وتحويلها إلى طاقة. يتكون الضوء من فوتونات تتذبذب على نطاق واسع من الأطوال الموجية، وبالإمكان لهذه الخلية أن تمتص الأطوال الموجية التي تتوافق مع نطاق الامتصاص القابل لأشباه الموصلات الشمسية المعروفة بفجوة الحزمة.

تتمثل الاستراتيجية التي ستساعد في تحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية في المستقبل في وضع طبقات متعددة من أشباه الموصلات معا لصنع خلايا شمسية متعددة الوصلات، وتحتوي كل طبقة من هذه الخلايا الشمسية متعددة الوصلات على فجوة نطاق مختلفة، مما يعني أنها تمتص جزءا مختلفا من الطيف الشمسي، وتستفيد بشكل أفضل من ضوء الشمس من الخلية التقليدية أحادية الوصلة 

ما هو الفرق بين الخلايا الكهروضوئية والخلايا الشمسية

لا يوجد فرق بين الخلية الشمسية والخلية الكهروضوئية، فكلاهما هو نفس الشيء ويمكن استخدام المصطلحين بالتبادل في معظم الحالات. وكلاهما يشير إلى مكون إلكتروني يولد الكهرباء عند تعرضه للفوتونات، وتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية من خلال خلية شمسية بالتأثير الكهروضوئي. ولذلك، فإننا نشير إلى الخلية الشمسية بمصطلح “الخلية الكهروضوئية