الخلايا الشمسية: المستقبل يبدأ بشروق الشمس

الخلايا الشمسية هي عبارة عن وقود نظيف ومستديم، حيث إنها أجهزة إلكترونية تحول الطاقة الشمسية المباشرة إلى طاقة كهربائية.

ما هي الألواح الشمسية؟

تتكون الخلايا الشمسية عادة من قطعة من السيليكون تحتوي على طبقتين مختلفتين: طبقة موجبة وطبقة سالبة، عندما يتعرض السيليكون للضوء الشمسي، تحرر الإلكترونات في طبقة الموجب، مما يسمح لها بالتحرك إلى الطبقة السالب.

تجمع هذه الإلكترونات وتوجه من خلال دوائر كهربائية خاصة لتوليد تيار كهربائي.

هذا التيار الكهربائي يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة المنزلية أو تخزينه في بطاريات للاستخدام لاحقًا.

تعتبر الخلايا الشمسية مصدرًا نظيفًا للطاقة، حيث أنها لا تنتج أي انبعاثات ضارة أو ثانوية أثناء توليد الكهرباء، كما أنها تعتبر مستدامة لأنها تعتمد على مصدر طاقة غير محدود ومتجدد، وهو الشمس.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الخلايا الشمسية لا تحتاج إلى صيانة كبيرة وتمتلك عمرًا طويلًا، مما يجعلها خيارًا جيدًا لتوليد الكهرباء في العديد من التطبيقات.

من المتوقع أن تشهد الخلايا الشمسية تطورات إضافية في المستقبل، مما سيسهم في زيادة استخدامها وتحسين أدائها في توليد الطاقة الكهربائية من الشمس.

مما تتكون الألواح الشمسية؟

المكون الرئيسي للخلية الشمسية هو السيليكون، وهو مادة شبه موصلة تستخدم على نطاق واسع في صناعة الألواح الشمسية.

يُستخدم السيليكون بسبب قدرته على تحرير الإلكترونات عندما يتعرض للضوء الشمسي، وتتواجد الخلايا الشمسية بشكل عام في إحدى الأشكال التالية:

1. الخلايا الشمسية بالواحدة البلورية (Monocrystalline Solar Cells): تتكون من قطعة واحدة كبيرة من السيليكون البلوري. تتميز بكفاءة عالية وأداء جيد في ظروف الإضاءة المنخفضة، ولكنها تكون أكثر تكلفة في التصنيع.
2. الخلايا الشمسية بالواحدة المتعددة البلورات (Polycrystalline Solar Cells): تتكون من قطعة من السيليكون تحتوي على عدة بلورات صغيرة. تكون أرخص في التصنيع مقارنة بالبلورية ولكن تكون أقل كفاءة قليلاً.
3. الخلايا الشمسية بالواحدة الرقيقة (Thin-Film Solar Cells): تستخدم طبقة رقيقة من المواد الشبه موصلة مثل الكادميوم والكوبر والسيلينيوم بدلاً من السيليكون. تكون أرخص في التصنيع وتتميز بمرونة أكبر، ولكنها تكون أقل كفاءة من الأنواع الأخرى.

بالإضافة إلى المواد المذكورة أعلاه، تتضمن الألواح الشمسية أيضًا طبقات أخرى مثل الألواح الحامية والأشرطة الرقيقة والأطباق العاكسة للضوء، وتعمل جميعها معًا لتحسين أداء الخلية الشمسية وحمايتها من العوامل الخارجية.

تجمع الخلايا الشمسية المتعددة معًا في شكل ألواح لزيادة قدرة التوليد، وتغطيها طبقة حماية شفافة لحمايتها من العوامل الجوية وتوجيه الضوء نحو الخلايا.

أنواع الألواح الشمسية

الاألواح الشمسية الحديثة

تشهد الألواح الشمسية الحديثة العديد من التطورات التكنولوجية التي تهدف إلى زيادة كفاءتها وتحسين أدائها.

الميزات والتقنيات الحديثة المستخدمة في الألواح الشمسية:

1. خلايا شمسية ذات كفاءة عالية: طورت خلايا شمسية جديدة تستخدم تقنيات متقدمة لزيادة كفاءتها في تحويل الضوء الشمسي إلى كهرباء. تشمل هذه التقنيات استخدام مواد نانوية مثل البيروفسكايت والمادة العضوية في تصميم الخلايا الشمسية، مما يسمح بتحقيق كفاءة أعلى وتكلفة أقل.
2. خلايا شمسية ثنائية الاتجاه: تستخدم هذه التقنية مواد شبه موصلة متعددة لتوليد تيار كهربائي من الإشعاع الشمسي المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء. تزداد كفاءة هذه الخلايا عن طريق استخدام الطاقة الشمسية من مجموعة أوسع من الأطوال الموجية في الطيف الشمسي.
3. خلايا شمسية شفافة: طورت خلايا شمسية يمكن دمجها في الزجاج أو المواد الشفافة الأخرى مثل نوافذ المباني وواجهات المباني. يسمح ذلك للأشعة الشمسية بالمرور من خلال الخلية الشمسية وتوليد الكهرباء دون التأثير على الرؤية أو استخدام المساحة.
4. الألواح الشمسية المرنة: تستخدم هذه التقنية مواد رقيقة ومرنة مثل البوليمرات والبلاستيك لصنع الألواح الشمسية. يتيح هذا التصميم المرن إمكانية تركيب الألواح الشمسية على أسطح مختلفة ومرونة أكبر في التطبيقات.
5. التقنيات الذكية: تضم الألواح الشمسية الحديثة أيضًا تقنيات ذكية تهدف إلى زيادة كفاءتها وأدائها. يتم استخدام أنظمة تتبع الشمس لتحديد موقع الشمس وتوجيه الألواح الشمسية بشكل مستمر نحوها. كما يتم استخدام تقنيات إدارة الطاقة لتحسين توزيع وتخزين الكهرباء المولدة.

تتطور التقنيات المستخدمة في الألواح الشمسية باستمرار، مما يسهم في زيادة كفاءتها وتحسين أدائها.

هذه التطورات تتساعد على تعزيز استدامة الطاقة الشمسية وتوسيع استخدامها في مجالات أكثر تنوعًا مثل الطاقة الشمسية المنزلية، ومحطات الطاقة الشمسية الكبيرة، والتطبيقات الصناعية والتجارية.

الألواح الشمسية القديمة

تتكون الألواح الشمسية القديمة عادة من الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون المعتاد، ولكنها تفتقر إلى التقنيات والتحسينات الحديثة التي توجد في الألواح الشمسية الحديثة. وفيما يأتي بعض الخصائص المميزة للألواح الشمسية القديمة:

1. خلايا شمسية بنوع واحد من السيليكون: تستخدم الألواح الشمسية القديمة غالبًا خلايا شمسية مصنوعة من السيليكون البلوري، والذي يكون عادة من نوع واحد (Monocrystalline) أو من نوع متعدد البلورات (Polycrystalline). وتكون هذه الخلايا أقل كفاءة مقارنة بتقنيات الخلايا الشمسية الحديثة.
2. قدرة تحمل منخفضة للضوء: الألواح الشمسية القديمة تكون أقل قدرة على استيعاب الضوء الشمسي في ظروف الإضاءة المنخفضة، مما يعني أنها تكون أقل فعالية في الأيام الغائمة أو في الفترات المسائية والصباحية.
3. تصميم أكبر وثقيل: الألواح الشمسية القديمة عادة تتطلب تصميمًا أكبر حجمًا لتحقيق قدرة توليد أعلى. ونتيجة لذلك، فإنها يمكن أن تكون أكثر ثقلاً وأكبر حجمًا مما يجعلها أقل مرونة في التركيب والاستخدام.
4. كفاءة منخفضة: الألواح الشمسية القديمة تكون أقل كفاءة في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء مقارنة بالألواح الشمسية الحديثة. وهذا يعني أنها تحتاج إلى مساحة أكبر من الألواح لتوليد نفس الكمية من الكهرباء.

على الرغم من هذه الخصائص، فإن الألواح الشمسية القديمة لا تزال تستخدم بشكل واسع في العديد من التطبيقات والمشاريع الشمسية.

ومع تطور التكنولوجيا، تم تحسين كفاءة الألواح الشمسية وأدائها، مما يعني أن الألواح الشمسية الحديثة توفر كفاءة أعلى وأداء أفضل في توليد الطاقة الشمسية.

خلايا أحادية التبلر

الخلايا الشمسية أحادية التبلور (Monocrystalline Solar Cells) هي نوع من الخلايا الشمسية تستخدم في صناعة الألواح الشمسية. تتميز هذه الخلايا بتركيبة بلورية واحدة متجانسة، حيث يتم نمو بلورة واحدة كبيرة من السيليكون بطريقة معينة تسمى “معالجة Czochralski”، وتكون هذه البلورة بنية بلورية متجانسة ومتساوية في التركيب الذري.

تتميز الخلايا الشمسية أحادية التبلور بالمزايا التالية:

1. كفاءة عالية: تعتبر الخلايا الشمسية أحادية التبلور من أعلى الخلايا كفاءةً في تحويل الضوء الشمسي إلى كهرباء، حيث تصل كفاءتها إلى ما يصل إلى 22-26٪، وذلك بفضل هيكلها البلوري النظامي الذي يسمح بتحقيق تحويل فعال للطاقة.
2. أداء ممتاز في ظروف الإضاءة المنخفضة: تتميز الخلايا الشمسية أحادية التبلور بأداء جيد في ظروف الإضاءة المنخفضة، مثل الأيام الغائمة أو الفجر والغسق، حيث تستطيع استيعاب كميات أعلى من الضوء وتحويلها إلى كهرباء بشكل فعال.
3. المظهر الأسود الأنيق: نظرًا للهيكل البلوري المتجانس، تكون الخلايا الشمسية أحادية التبلور ذات لون أسود غامق أو أسود تمامًا، مما يعطي الألواح الشمسية مظهرًا أنيقًا وجماليًا عند التركيب.
4. الكفاءة المساحية: بفضل كفاءتها العالية، يمكن توليد كمية أكبر من الكهرباء باستخدام أقل عدد من الخلايا الشمسية، مما يقلل من المساحة المطلوبة لتركيب الألواح الشمسية على السطح.
5. الاستقرار والعمر الطويل: تتميز الخلايا الشمسية أحادية التبلور بالاستقرار والمتانة، وتتمتع بفترة عمر طويلة تصل إلى 25-30 عامًا، مما يجعلها خيارًا موثوقًا لتوليد الطاقة الشمسية على المدى الطويل.

خلايا متعددة التبلر

الخلايا الشمسية متعددة التبلور (Polycrystalline Solar Cells) هي نوع آخر من الخلايا الشمسية المستخدمة في صناعة الألواح الشمسية. تتميز هذه الخلايا بتركيبة متعددة التبلور، حيث يتم تشكيلها من السيليكون المصهور الذي يتكون من بلورات صغيرة متعددة الاتجاهات ومتنوعة التوجهات.

تتميز الخلايا الشمسية متعددة التبلور بالمزايا التالية:

1. تكلفة أقل: تعتبر الخلايا الشمسية متعددة التبلور أقل تكلفةً في التصنيع مقارنةً بالخلايا الأحادية التبلور، حيث يتم استخدام سيليكون أقل ويتم تشكيلها بطرق تصنيع أكثر اقتصادًا.
2. أداء جيد في درجات الحرارة العالية: تتحمل الخلايا الشمسية متعددة التبلور درجات حرارة أعلى بشكل أفضل مقارنةً بالخلايا الأحادية التبلور. وهذا يعني أنها تحافظ على كفاءتها العالية حتى في ظروف الحرارة العالية.
3. مرونة التصنيع: يمكن تصنيع الخلايا الشمسية متعددة التبلور بطرق مبتكرة ومرونة أكبر، مما يسمح بتشكيلها بأحجام وأشكال مختلفة لتناسب احتياجات مختلفة من التطبيقات.
4. مظهر أزرق أو أزرق داكن: تتميز الخلايا الشمسية متعددة التبلور بظهور أزرق أو أزرق داكن بسبب التبلورات المتعددة داخلها، مما يمنح الألواح الشمسية مظهرًا جماليًا مميزًا عند التركيب.
5. كفاءة معتدلة: تعتبر الخلايا الشمسية متعددة التبلور معتدلة الكفاءة، حيث تتراوح كفاءتها عادةً بين 15-18٪. وعلى الرغم من أنها قد تكون أقل كفاءةً من الخلايا الأحادية التبلور، إلا أنها تعتبر لا تزال تعتبر كفاءة جيدة وقابلة للاستخدام الفعال في العديد من التطبيقات.

خلايا موروفية

الخلايا الشمسية المورفولوجية (Perovskite Solar Cells) هي نوع حديث وواعد من الخلايا الشمسية، وهي تستخدم مواد مورفولوجية لتوليد الطاقة الشمسية. تمتاز الخلايا الشمسية المورفولوجية بتركيبة فريدة تستند إلى مركبات البيروفسكايت، وهي تعتبر أحد أنواع المواد الشبه موصلة.

تتميز الخلايا الشمسية المورفولوجية بالمزايا التالية:

1. كفاءة عالية: تعتبر الخلايا الشمسية المورفولوجية من بين أكثر أنواع الخلايا الشمسية كفاءة، حيث تصل كفاءتها إلى مستويات عالية تتجاوز 25٪ في الأبحاث العلمية. هذا يشير إلى قدرتها على تحويل كمية كبيرة من ضوء الشمس إلى كهرباء.
2. تكلفة منخفضة للإنتاج: تستخدم الخلايا الشمسية المورفولوجية موادًا رخيصة وسهلة التصنيع، مما يجعلها قابلة للإنتاج بتكلفة منخفضة مقارنة ببعض التقنيات الأخرى للخلايا الشمسية.
3. مرونة التصنيع: يمكن تصنيع الخلايا الشمسية المورفولوجية بطرق مرونة أكبر، مما يسمح بتشكيلها بأحجام وأشكال مختلفة وتكييفها مع الاحتياجات المختلفة للتطبيقات.
4. توافق مع التقنيات الحالية: يمكن دمج الخلايا الشمسية المورفولوجية بسهولة مع التقنيات الحالية للخلايا الشمسية، مما يسهم في تطبيقها في الصناعة والأجهزة الإلكترونية المختلفة.

على الرغم من المزايا المذكورة أعلاه، لا تزال الخلايا الشمسية المورفولوجية في مرحلة البحث والتطوير، وتحتاج إلى مزيد من العمل لتحسين استقرارها ومتانتها على المدى الطويل.

كيفية تصنيع الألواح الشمسية

عملية تصنيع الألواح الشمسية تتضمن عدة خطوات تكنولوجية معقدة. فيما يلي نظرة عامة على العملية الأساسية لتصنيع الألواح الشمسية:

1. تحضير السطح: البدء بتحضير سطح الوعاء الزجاجي أو البلاستيكي الذي سيستخدم كقاعدة للخلية الشمسية. ينظف ويجهز السطح لضمان عدم وجود أي شوائب أو عوامل تؤثر على أداء الخلية.
2. وضع الطبقة النصف-موصلة: توضع طبقة رقيقة من المادة النصف-موصلة، مثل السيليكون، على السطح. عن طريق تبخير المادة النصف-موصلة في حالة غازية ثم ترسبها على السطح لتشكيل طبقة رقيقة ومتجانسة.
3. تطبيق الطبقة النصف-موصلة الموجبة: تطبق طبقة رقيقة من المادة النصف-موصلة الموجبة فوق الطبقة النصف-موصلة الأولى. هذه الطبقة تحتوي عادة على شوائب معززة للحصول على توصيل أفضل للتيار الكهربائي.
4. تشكيل الجهة الأمامية: تشكل الجهة الأمامية للخلية الشمسية بواسطة تطبيق طبقة رقيقة من المادة الموصلة مثل الألومنيوم أو الفضة على الطبقة النصف-موصلة الموجبة. تساعد هذه الطبقة في توجيه الضوء نحو الطبقات النصف-موصلة وتعزيز جمع الشحنات المولدة.
5. تشكيل الجهة الخلفية: تشكل الجهة الخلفية للخلية الشمسية بواسطة تطبيق طبقة رقيقة من المادة الموصلة على الطبقة النصف-موصلة الأخيرة. تكون هذه الطبقة عادة مصنوعة من الألومنيوم أو الكوبر وتساعد في تحسين توزيع التيار الكهربائي وتعزيز أداء الخلية.
6. تركيب الأطراف الكهربائية: تركب الأطراف الكهربائية اللازمة لتوصيل الخلية الشمسية بالدوائر الكهربائية الأخرى. عادةً ما تستخدام أسلاك معدنية رقيقة لتوصيل الجهة الأمامية والجهة الخلفية للخلية بأقطاب الجهد.
7. اختبار وتعبئة الألواحالشمسية: تخضع الألواح الشمسية التي صنعت لاختبارات دقيقة للتحقق من أدائها وكفاءتها. تقاس تيار وجهد الخلايا الشمسية تحت ظروف إشعاع معينة للتحقق من قدرتها على توليد الطاقة الكهربائية. بعد الاختبار،تعبء الألواح الشمسية بإطار حماية وزجاج أمامي للحماية من العوامل الجوية وتأمينها في المكان المناسب.

الخلايا الشمسية والنانوتكنولوجي

هناك العديد من التطبيقات النانومترية في صناعة الخلايا الشمسية، ومن بينها:

1. هياكل نصف-موصلة نانومترية: تستخدام التقنيات النانومترية لتصميم وتصنيع هياكل نصف-موصلة فائقة الدقة وفائقة الرقة. تحسن هذه الهياكل بطرق مثل وضع طبقات رقيقة من المواد النصف-موصلة بأحجام محددة وتنظيم التشكيل البلوري للهياكل بطرق دقيقة.
2. مواد نانومترية للطبقات النصف-موصلة: استخدام المواد النانومترية، مثل النانوحبيبات والنانوأسلاك، في تكوين الطبقات النصف-موصلة يمكن أن يساهم في زيادة كفاءة الخلية الشمسية. تمتلك المواد النانومترية خصائص فريدة مثل حجم الحبيبات الصغيرة وتوصيلية عالية، مما يسمح بامتصاص أكبر للضوء وتحسين نقل الشحنة.
3. هياكل تنظيمية نانومترية: يمكن استخدام التقنيات النانومترية لتصميم هياكل تنظيمية دقيقة على مستوى النانومتر، مثل النانوقوالب والأنماط النانوية. تساعد هذه الهياكل في تحسين امتصاص الضوء وتوجيهه نحو الطبقات النصف-موصلة المناسبة، وبالتالي تزيد من كفاءة الخلية الشمسية.
4. مواد امتصاص الضوء النانومترية: يمكن استخدام مواد امتصاص الضوء النانومترية، مثل النانوجسيمات المعدنية والنانوبلازمونات، لتحسين امتصاص الضوء وتعزيز كفاءة الخلية الشمسية. تعزز هذه المواد تفاعل الضوء مع الخلية وتزيد من كمية الطاقة المستخلصة.

تجمع الخلايا الشمسية والنانو تكنولوجي من خلال استخدام التقنيات النانومترية في الخلايا الشمسية، يمكن تحقيق العديد من المزايا مثل زيادة كفاءة التحويل الضوئي، وتقليل التكلفة، وتحسين استقرارية الأداء. وتعتبر الخلايا الشمسية النانومترية أحد الاتجاهات الحالية في البحث والتطوير في هذا المجال.

الخاتمة

مع التقدم المستمر في مجال النانوتكنولوجيا، يمكن توقع المزيد من التحسينات في الخلايا الشمسية في المستقبل. واستخدام الخلايا الشمسية كمصدر للطاقة يعتبر جزءًا هامًا في التحول نحو مستقبل أكثر استدامة وتوفير الطاقة.

المصادر

مبدأ عمل الخلايا الشمسية، mawdoo3، اطلع عليه في 14/8/2023

تكنولوجيا جديدة لصنع خلايا شمسية رخيصة ومستدامة وفعالة وفي متناول الجميع، azureedge، اطلع عليه في 14/8/2023

أفضل الخلايا الشمسية.. هل تتحكم الألوان في الكفاءة؟، attaqa، اطلع عليه في 14/8/2023

publishpress_authors_box layout=”ppma_boxes_6475″