كيف تعمل الخلايا الشمسية؟
لابد أنك شاهدت من قبل إحدى تلك الآلات الحاسبة التي تعمل بالخلايا الضوئية، والتي لا تحتاج لبطارية أو إحدى الخلايا الشمسية في أحد الطرقات على أعمدة الإنارة أو على سطح أحد المنازل، ولكن هل تساءلت من قبل كيف تعمل تلك الخلايا الشمسية؟ حسنًا تابع معنا لتعرف الإجابة عن ذلك السؤال.
بعكس الطرق الأخرى التي تعتمد على الحرارة والتوربينات تعتمد تلك الخلايا والتي يطلق عليها «الخلايا الكهروضوئية أو الفوتوفولطية» على تحويل الضوء مباشرة إلى كهرباء حيث تقوم بتحويل الفوتونات (جسيمات الضوء) إلى إلكترونات ذات شحنة كهربائية ومن ثم توليد التيار الكهربائي.
مما تتكون الخلايا الشمسية؟
تصنع الخلايا الشمسية من مواد شبه موصلة مثل السيليكون، والذي تتميز ذراته بوجود أربعة إلكترونات في مدار الطاقة الخارجي، لذلك تكون كل ذرة مرتبطة بأربع ذرات أخرى مجاورة كما بالشكل:
عندما يصطدم أحد الفوتونات بطاقة كافية بإحدى تلك الذرات يتحرر أحد تلك الإلكترونات ويترك مكانه فجوة موجبة الشحنة. ولكن عند إضافة شوائب إلى السيليكون مثل الفوسفور والذي يمتلك خمسة إلكترونات في مداره الخارجي يزيد عدد الإلكترونات الحرة في السبيكة المتكونة، أما عند إضافة ذرات من البورون الذي يمتلك ثلاثة إلكترونات فقط في مساره الخارجي ستحتوي السبيكة على العديد من الفجوات الموجبة.
عندما تُلصق السبيكتين معًا تتحرك بعض الإلكترونات والفجوات باتجاه السبيكة المعاكسة عند نقطة الالتقاء مكونة مجال كهربائي بين الطرفين، وكلما ازدادت كمية الإلكترونات والفجوات المنتقلة من سبيكة للأخرى تزداد قوة المجال الكهربائي مما يجعل من الصعب انتقال المزيد من الإلكترونات والفجوات.
عندما يصطدم أحد الفوتونات بالخلية الكهروضوئية بطاقة محددة يتسبب بتحرير إلكترونًا إضافيًا (مخلفًا أيضًا فجوة إضافية). إذا تصادف وجود ذلك الإلكترون الحر بالقرب من المجال الكهربائي المتواجد عند نقطة الالتقاء فإنه يتحرك متأثرًا بهذا المجال بالاتجاه الموجب مما يزيد عدد الإلكترونات الحرة في السبيكة السالبة وعدد الفجوات الموجبة في السبيكة الموجبة مكونًا فرق الجهد بين طرفي الخلية. عندما يُضاف مسار خارجي بين الطرفين تتحرك الإلكترونات من خلاله مكونة تيارًا كهربائيًا.
إننا نستخدم لتكوين خلية شمسية فعالة مصفوفة كبيرة من تلك الخلايا الصغيرة للوصول بالجهد والتيار للمستويات المطلوبة، كذلك تُطلى الخلية بمواد خاصة لتقلل انعكاس الضوء من سطح السيليكون، ويُستخدم الزجاج لوقاية السطح الخارجي للخلية من العوامل الجوية وغيرها.
كفاءة الخلايا الشمسية:
إن الكفاءة هي أكبر مشكلة تواجه الخلايا الشمسية، فمثلًا في عام 2006 كانت كفاءة استغلال الطاقة لمعظم الخلايا الشمسية المستخدمة تتراوح بين 12 و18% والآن تصل كفاءة أحدث وأفضل تلك الخلايا الشمسية لحوالي 40%.
ولكن لماذا لا يمكننا الحصول على كفاءة أفضل؟
يمتاز ضوء الشمس بأنه خليط من موجات ضوئية مختلفة على ترددات وأطوال موجية مختلفة، بالتالي مستويات طاقة مختلفة، وبما أن الإلكترونات تحتاج لكمية طاقة محددة لتتحرر من مدارات الطاقة الخاصة بها، فإن أي فوتون لا يحمل الطاقة المناسبة أكانت طاقته أكثر أو أقل من المستوى المطلوب ستعبر من خلال الخلية الشمسية مباشرة وكأنها لم تكن موجودة.
مع العلم بأن المقاومة الكهربائية لأشباه الموصلات التي تصنع منها الخلية الشمسية مرتفعة نسبيًا، لكن يجب أن توضع موصلات معدنية لتغطي أجزاء من الخلية حتى تستطيع أن توفر مسارات للتيار الكهربائي، ولكن بالتأكيد إضافة تلك الموصلات المعتمة ستتسبب بضياع جزء من الطاقة الضوئية، لذلك تُوزّع المواد الموصلة بصورة شبكة لتقوم بتوصيل التيار بشكل أفضل وكذلك تقليل الفاقد الضوئي، كما تُستخدم بعض الموصلات الشفافة لتوصيل التيار في بعض الخلايا الشمسية.
هل يمكن استخدام الخلايا الشمسية لتوليد الطاقة المنزلية؟
بالتأكيد يمكن الاستفادة من الطاقة الشمسية في المنازل عند تركيبها بالاتجاه الصحيح وبزاوية ميل مناسبة بحيث تكون مواجهة للشمس في أغلب فترات النهار، وهو ما يجعلها تنتج أكبر قدر ممكن من الطاقة. ولكن يجب ملاحظة أن الطاقة الناتجة تكون نهارًا فقط ولذلك يجب العمل على توفير مصادر بديلة للطاقة في الأوقات التي لا يوجد فيها ضوء شمس كافٍ لتوفير الطاقة.
لتحقيق ذلك يمكن استخدام مصادر إضافية مثل المولدات العاملة بالوقود أو توصيل بطاريات قابلة للشحن من الخلايا الشمسية وإعادة استخدامها عند الحاجة. كما أن توصيل المنزل بشبكة الكهرباء العمومية سيسمح باستخدامها عند الحاجة، بل ويمكن بيع الفائض من إنتاج الطاقة الشمسية لشركة الكهرباء أثناء النهار ولكن ذلك يتطلب الكثير من الأجهزة لتتوافق الكهرباء التي ينتجها المنزل مع التي تنتجها شركة توصيل الكهرباء.
في جميع الحالات يحتاج المنزل لتوصيل العديد من الأجهزة لتوصيل الطاقة الشمسية لتشغيل الأجهزة المنزلية، كوحدة الشحن في حالة استخدام البطارية، ووحدة تحويل التيار الثابت لتيار متناوب، تلك الوحدة يمكن استخدامها أيضًا في توصيل الكهرباء المنتجة بالشبكة العمومية، وتستعمل في الحماية والتحويل الأوتوماتيكي بين الشبكة الداخلية والشبكة العمومية.
هل الطاقة الشمسية مجانية؟
الطاقة الناتجة من الشمس مجانية ولكن تحويلها لكهرباء بالطبع ليس مجانيًا. فتكاليف تركيب وصيانة الخلايا الشمسية ليست قليلة على الإطلاق ولكن بالتأكيد المناطق التي تمتاز بسطوع شمسي أقوى ومستمر لمدة طويلة مع زيادة حجم الخلايا يساهم في تقليل التكلفة لكل كيلو وات في الساعة. ولكن بعض الحكومات تقدم مساعدات للأشخاص والشركات الراغبين في استخدام الطاقة الشمسية كما أن التكاليف الفعلية تقل مع الوقت مع تطور تكنولوجيا الخلايا الشمسية. لذلك قبل القيام بخطوة تحويل المنزل لاستخدام الطاقة الشمسية يجب القيام بكل الحسابات بصورة دقيقة لتحديد جدوى تلك الخطوة.
تطوير الخلايا الشمسية:
تعمل الشركات الآن على إنتاج خلايا شمسية ذات كفاءة أفضل من ناحية التكلفة لكل كيلو وات. لتحقيق ذلك يعمل الباحثون على ثلاثة أفكار مختلفة: تكنولوجيا الغشاء الرقيق، الخلايا متعددة الوصلات، وتكنولوجيا الخلايا الشمسية العاملة على الضوء المركز.
تكنولوجيا الغشاء الرقيق يستخدم بها مواد مختلفة عن الخلايا التقليدية المكونة من كريستالات السيليكون المنقحة بالشوائب، في الواقع تُستخدم مواد مثل عنصر السيليكون ولكن ليس في صورة كريستال (أي لا تترابط كل ذرات السيليكون بأربع ذرات مجاورة) ويطلق عليه (Amorphous Silicon) كذلك يستخدم زرنيخيد الغاليوم الثلاثي (Gallium Arsenide) وغيرها من المواد. تلك المواد تعمل كخلايا شمسية ذات كفاءة أقل ولكن نظرًا لسهولة تصنيعها وسعرها المنخفض فهي قد تكون خيار مناسب للتطوير.
كذلك تطور بعض الشركات خلايا شمسية تتكون من طبقات من مواد مختلفة كل منها يعمل على فوتونات لها مستويات طاقة مختلفة بالتالي رفع كفاءة الخلية، يطلق على هذا النوع من الخلايا «الخلايا متعدد الوصلات»، تعمل الطبقات العليا على الفوتونات ذات الطاقة العالية بينما السفلى تستغل الفوتونات الأقل في الطاقة وبذلك يُستخدم أكبر قدر ممكن من الفوتونات.
بينما تقوم بعض الشركات باستخدام المرايا والعدسات لتركيز الضوء من مساحات كبيرة في خلايا شمسية ذات مساحة صغيرة وهو ما يزيد من كفاءة الخلية الضوئية نفسها، إذ تتعرض لكمية أكبر من الضوء المركز من مساحة أكبر من مساحتها الأصلية.
ترجمة: جورج فام
تدقيق: ولاء سليمان
