أنواع الخلايا الشمسية وتركيبها ومكوناتها وكيف تعمل؟

ما هي الخلايا الشمسية؟

مصطلح PV Cells هو اختصار "Photovoltaic cells" اي الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الضوئية لتوليد الكهرباء وهي ما يطلق عليها معظم الناس الخلايا الشمسية وسنتحدث في هذا الموضوع عن أنواع الخلايا الشمسية وتركيبها وكيفية عملها.

يتضح من اسمها أن الخلايا الشمسية تقوم بتحويل الضوء الساقط عليها الي جهد كهربي لذلك يمكننا القول ان خلايا الطاقة الشمسية تقوم بتحويل فوتونات الضوء الساقطة عليها من الاشعاع الشمسي المباشر الى جهد كهربي يتسبب في مرور تيار كهربي، والخلايا الشمسية إذا ما تم توصيلها مع بعضها وتركيبها في لوح واحد تكون ما يسمي باللوح الشمسي.

فالخلية الشمسية هي وحدة البناء الرئيسية في جميع أنواع الواح الطاقة الشمسية، وتبدأ في توليد الكهرباء إذا ما تعرضت للضوء، فهي سبيكة كهروضوئية حساسة للضوء، والمواد الكهروضوئية تُصنع من أشباه الموصلات ويعتبر عنصر السليكون هو أشهر أشباه الموصلات وأكثرها انتشاراً.

تركيب الخلايا الشمسية

قبل ان تفهم طريقة عملها يجب اولاً ان تعرف كيفية تصنيع الخلايا الشمسية والمواد الرئيسية المصنوعة منها.

تُستخدم أشباه الموصلات وخاصة عنصر السليكون في كل الدوائر الالكترونية كما يستخدم ايضاً في تصنيع الخلايا الشمسية، وهو المكون الرئيسي لها "هناك انواع من الخلايا الكهروضوئية تستخدم مواد أخري ولكن السليكون مازال الأكثر انتشارا على الاطلاق".

تصنع الخلايا الشمسية من السليكون النقي ويضاف اليه بعض الشوائب كما هو واضح في الصورة لكي يتكون لدينا نوعين من سبائك السليكون.

فالخلايا الشمسية تتكون من طبقتين من السليكون:

• N-Type :طبقة السليكون السالبة وهي عبارة عن سليكون مضاف اليه عنصر الفوسفور.
• P-Type :طبقة السليكون الموجبة وهي عبارة عن سليكون مضاف اليه عنصر البورون.

N-Type

يتم وضع نسبة قليلة جداً من الفسفور لعنصر السليكون النقي وفي هذه الحالة سوف تتولد روابط بين ذرات السليكون وذرات الفسفور المتناثرة وحيث أن عنصر الفوسفور يوجد لديه خمسة الكترونات في المدار الخارجي، أما عنصر السليكون يوجد لديه أربعة الكترونات في مداره الخارجي، فكل ذرة فسفور سوف يظل لديها الكترون حر لا يجد ما يرتبط به وتكون مستعدة للاستغناء عن هذا الالكترون في اي فرصة، وتسمى هذه الالكترونات بالحاملات السالبة الحرة.

P-Type

يتم وضع نسبة قليلة جداً ايضاً من عنصر البورون مع السليكون النقي وفي هذه الحالة تتولد روابط بين ذرات السليكون وذرات البورون المتناثرة وحيث ان عنصر البورون لديه ثلاثة الكترونات فقط في مداره الخارجي وكما ذكرنا فان عنصر الفسفور لديه أربعة الكترونات في مداره الخارجي، ستظل كل ذرة بورون مازالت بحاجة الي الكترون لكي تكمل الرابطة مع السليكون فتظل دائما في اشتياق الي الكترون جديد حتى تكمل الترابط، وتسمي الثقوب أو الحاملات الحرة الموجبة.

فعليك ان تعلم الآن ان الخلايا الشمسية تتكون بشكل رئيسي من هذين النوعين من سبائك السليكون النوع الموجب P-type والنوع السالب N-type.

مكونات الخلايا الشمسية

الخلية الشمسية تتكون بشكل رئيسي من طبقتين من السليكون الطبقة العليا من النوع السالب N-type والذي تحدثنا عنه وقلنا ان لديها الكترونات تريد التخلص منها عند أقرب فرصة، والطبقة السفلى وهي من النوع الموجب P-type والتي قلنا ان بها فجوات وتتمنى لو انها تجد الكترونات تملأ بها هذه الفجوات.

وايضاً يوجد شبكة من الأسلاك الموصلة للكهرباء بالأعلى "الكاثود" وطبقة موصلة بالأسفل "الأنود" وفوق كل ذلك طبقة من الزجاج مغطي بمادة غير عاكسة اي انها تسمح للضوء بالدخول ولا تسمح له بالخروج حتى تستطيع استغلال أكبر كمية من الضوء الساقط عليها ولا يرتد جزء منه للخارج.

كيف تعمل الخلايا الشمسية؟

كما هو واضح فان فوتونات الضوء الساقطة على الخلية الشمسية من الشمس تسمح للإلكترونات الموجودة في طبقة السليكون السالبة N-type ان تتحرر متجهة الي الفجوات الموجودة في طبقة السليكون الموجبة P-type مولدة بذلك جهد كهربي مستمر داخل الخلية مما يؤدي الي مرور تيار كهربي في الكاثود والأنود (الكاثود والأنود عبارة عن اسلاك موصلة للكهرباء وفي الغالب نحاس)

إذا تم توصيل الكاثود والأنود بطرفي مصباح كهربي صغير يعمل بتيار مستمر ستجد انه يضيء وهكذا تصبح الخلية الشمسية كالبطارية الصغيرة. اي انها تصبح مصدر للجهد الكهربي طالما انها معرضة للضوء المباشر.

أنواع الخلايا الشمسية

تخدم الأنواع المختلفة من الخلايا الشمسية احتياجات وأغراض مختلفة، فالموقع بحد ذاته والظروف الجوية للمكان عوامل مهمة عندما يتعلق الأمر باختيار أنسب أنواع الخلايا الشمسية.

الخلايا الشمسية أحادية البلورية Monocrystalline silicon cells

إنتاج خلايا السيليكون الأحادية هي عملية مشابهة لتلك المستخدمة في تصنيع الترانزستورات والدوائر المتكاملة، وقد تم تطويرها وتحسينها.

تبلغ كفاءة التحويل لها من 18%- 23%، وتبدو الخلايا الشمسية أحادية البلورة مثل الزجاج الأزرق الغامق بسبب اللون الأزرق لبلورات السيليكون، وتمر هذه التقنية بتدهور بطيء جدًا، عادةً ما يتراوح بين 0.25٪ -0.5٪ سنويًا، أي انها وبعد 20 عاماً من العمل قد لا تفقد أكثر من 10% من كفاءتها.

الخلايا الشمسية متعددة الكريستالات Polycrystalline silicon cells

تتكون خلايا الطاقة الشمسية متعددة الكريستالات من هياكل بلورية متعددة تشكل نمطًا على سطح الخلية، وتعد الخلايا المتعددة أقل قليلاً في كفاءة التحويل مقارنة بالخلايا الشمسية الأحادية، لكن عملية التصنيع أقل تشددًا، لذا فإن التكاليف أقل قليلاً.

متوسط كفاءة التحويل 15٪ -17٪، والتدهور بطيء للغاية وتدريجي على غرار البلورة المفردة، ويبلغ سمك الخلية الشمسية حوالي سنتيمتر واحد، أما عن المظهر فيمكنك رؤية أنماط البلورات المتعددة بوضوح في السطح الأزرق العميق للخلية.

خلايا التداخل غير المتماثل Hetrojunction (HTJ)

شهدت الخلايا الشمسية بتقنية التداخل غير المتماثل زيادة في شعبيتها في السنوات الأخيرة بسبب كفاءتها العالية وتكلفتها المنخفضة، وتجمع هذه التقنية بين تقنيات الخلايا الشمسية البلورية والأغشية الرقيقة لإنشاء خلايا بطبقة سيليكون غير متبلورة بسمك بضعة نانومترات فقط.

تعمل طبقة السيليكون غير المتبلورة الرقيقة للغاية كعازل كهربائي بين مادتي الخلية، مما يسمح بتدفق تيار أكثر كفاءة من الخلايا أحادية البلورية التقليدية، ويمكن لهذا النوع من الخلايا الشمسية أيضًا استخدام أشباه الموصلات من النوع n بدلاً من النوع p التقليدي "أشباه الموصلات من النوع N أقل عرضة للشوائب، مما يسمح بكفاءة أعلى وتشغيل أكثر موثوقية.".

خلايا شمسية ثنائية الوجه Bi-facial Cells

تشمل مزايا الخلايا الشمسية ثنائية الوجه زيادة كفاءة الطاقة وتقليل التكاليف لأنها تسمح لك بتوليد المزيد من الطاقة مقارنة بالخلايا التقليدية أحادية البلورية أو متعددة الكريستالات، وهذا يمكن أن يجعلها جذابة للاستخدام السكني محدود المساحة.

يمكن تركيب أنواع الخلايا الشمسية ثنائية الوجه إما فوق بعضها البعض، أو يمكن تركيبها على نظام منفصل، وتتميز بقدرتها على امتصاص الضوء المنعكس، ومع ذلك فهي تأتي بسعر أعلى.

نصف الخلية أو الخلايا المقطوعة Half-cut cells

تتكون الخلايا الشمسية نصف الخلية من ركيزة مثل السيليكون أحادي أو متعدد الكريستالات، ويتم إجراء التوصيلات الكهربائية بينها بشرائط معدنية، فمن خلال قطع الخلايا إلى النصف، فإنه يسمح بتقليل مقاومة سلسلة الخلايا وزيادة عدد أصابع الاتصال اللازمة للتوصيل الكهربائي، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة، وتأتي هذه الكفاءة المحسّنة بتكلفة، حيث تميل هذه الخلايا الشمسية إلى أن تكون أغلى من نظيرتها التقليدية.

الخلايا الشمسية اللوحية Shingle solar cells

يسمح هذا النوع من الخلايا الشمسية بإجراء توصيلات الخلايا بشكل مختلف عن الألواح الشمسية التقليدية، في حين أن الألواح الشمسية التقليدية بها خلايا موصلة بأسلاك في سلسلة من الأوتار، فإن الخلايا الشمسية اللوحية يمكن توصيلها بشكل متوازي، مما يقلل من عدد الوصلات البينية، بالإضافة إلى ذلك فإن الكفاءة المتزايدة للخلايا اللوحية تقلل من كمية الطاقة المفقودة عند نقل الطاقة من الوحدات إلى العاكس "solar inverter إنفرتر الطاقة الشمسية"، ونظرًا لتكوينها الفريد من نوعه، يمكن للخلايا الشمسية اللوحية أن توفر أيضًا مرونة أكبر في تصميم النظام، لأنها تسمح ببناء أنظمة شمسية أكبر وأكثر تعقيدًا بمكونات أقل. على هذا النحو، أصبحت الخلايا الشمسية اللوحية ذات شعبية متزايدة بين القائمين بالتركيب الذين يتطلعون إلى تعظيم إمكانات إنتاج نظامهم.

شارك المقال مع اصدقاءك عبر طرق النشر التالية: