ما هي الخلايا الشمسية

الطاقة الشمسية

تتمثل الطاقة الشمسية في ضوء الشمس المشع وحرارتها العالية التي يتم استغلالها الآن باستخدام مجموعة من التقنيات المتطورة في أغراض التدفئة الشمسية والضوئية وتطبيقات الطاقة الحرارية والهندسة الشمسية، وكذلك في محطات الطاقة المالحة المنصهرة وفي عمليات التمثيل الضوئي الاصطناعي، إنّ الشمس مصدر مهم للطاقة المتجددة وتتميز تقنياتها على نطاق واسع بأنها إما طاقة سلبية أو نشطة اعتمادًا على كيفية استخدام تلك الطاقة وتوزيعها أو تحويلها إلى طاقة أخرى، وتشمل التقنيات الشمسية النشطة العديد من التطبيقات المعاصرة، وسيتناول هذا المقال الإجابة عن سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟".^[١]

تاريخ استخدام الخلايا الشمسية

قبل الإجابة عن سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟" تجدر الإشارة إلى أنّ استخدام الخلايا الشمسية لأول مرة كان على القمر الصناعي فانجارد في عام 1958، وقد كان الغرض من استخدامها في الأساس كمصدر بديل للطاقة التقليدية، ويمكن توضيح تاريخ استخدام الخلايا الشمسية فيما يأتي:^[٢]

• أطلقت الولايات المتحدة في عام 1959 القمر الصناعي إكسبلورر 6، وقد كان يضم ألواحًا شمسية كبيرة على شكل أجنحة، وقد أصبحت الخلايا الشمسية سمة شائعة في الأقمار الصناعية بعد ذلك، وقد كانت الخلايا الشمسية من الستينيات مصدر الطاقة الرئيس لمعظم الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض.
• اختلفت التكنولوجيا المستخدمة في الخلايا الشمسية الفضائية عن تكنولوجيا السيليكون المستخدمة في الألواح الأرضية في التسعينيات مع استخدام المركبات الفضائية مواد أشباه الموصلات.
• انتقل البحث بعد ذلك نحو تصميم وتصنيع خلايا شمسية خفيفة الوزن ومرنة وذات كفاءة عالية.

ما هي الخلايا الشمسية

للإجابة عن سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟" ينبغي توضيح أنّه ورغم تنوع الخلايا الشمسية واختلاف أغراض استخدامها إلا أنّها تشترك جميعًا في أنّ لها بنية أساسية متشابهة في تقنية عملها، وهي إجمالًا نوع من الخلايا يقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، ويمكن توضيح المزيد عن إجابة سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟" من خلال توضيح مبادئ عمل الخلايا الشمسية فيما يأتي:^[٣]

• يدخل الضوء إلى الألواح الشمسية من خلال طبقة ضوئية أو طبقة مضادة للانعكاس تقلل من فقدان الضوء عن طريق الانعكاس وتعمل بشكل فعال على حجز الضوء الساقط على الخلية الشمسية من خلال تعزيز انتقالها إلى طبقات تحويل الطاقة.
• عادةً ما تكون الطبقة المضادة للانعكاس عبارة عن أكسيد من السيليكون أو التيتانيوم.
• يتم توليد الجهد بواسطة الخلايا الشمسية المصنوعة من مواد أشباه الموصلات المعالجة بشكل خاص مثل السيليكون.
• الطبقات الثلاث لتحويل الطاقة أسفل الطبقة المضادة للانعكاس هي طبقة الوصلة العلوية وطبقة الامتصاص التي تشكل قلب الجهاز وطبقة الوصلات الخلفية.
• نظرًا لأنّ معظم الطاقة في ضوء الشمس والضوء الاصطناعي تقع في النطاق المرئي للإشعاع الكهرومغناطيسي فيجب أن يكون امتصاص الخلايا الشمسية فعالًا في امتصاص الإشعاع في تلك الأطوال الموجية.
• عندما يسقط الضوء على خلية شمسية فإن الإلكترونات الموجودة في طبقة الامتصاص يتم تحفيزها من حالة الطاقة المنخفضة إلى الحالة المثارة، وفي غياب الطبقات المكونة للوصلات تكون هذه الإلكترونات الحرة في حركة عشوائية، ولذلك فإنّ إضافة طبقات لتشكيل الوصلات يؤدّي إلى إنشاء حقل كهربائي مدمج ينتج عنه التأثير الكهروضوئي، وهذا يوضح أبعادًا أخرى ترتبط بالكهرباء في إجابة سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟".
• المواد المستخدمة في بناء طبقات مختلفة من الخلايا الشمسية هي في الأساس نفس المواد المستخدمة لإنتاج الترانزستور في الإلكترونيات ذات الحالة الصلبة والإلكترونيات الدقيقة.
• تشترك الخلايا الشمسية مع الأجهزة الإلكترونية الدقيقة في نفس التكنولوجيا الأساسية المستخدمة بها، ولكن في تصنيع الخلايا الشمسية تتناسب الطاقة المنتجة مع المنطقة المضيئة، وهذه إجمالًا هي إجابة سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟".

أنواع الخلايا الشمسية

بعد إجابة سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟" ينبغي توضيح تعدد أشكال الاستفادة من الطاقة الشمسية، وتعدد الأغراض من وراء استعمال ذلك النوع من الخلايا، ولا تقتصر تلك الخلايا الشمسية على نوع واحد بل لها أكثر من نوع، ويمكن توضيح أهم أنواع الألواح الشمسية التي تستخدم خلايا شمسية فيما يأتي:^[٤]

• خلايا الألواح أحادية البلورة: تتميز الخلايا الشمسية في الألواح أحادية البلورة بأنّها عبارة عن شرائح مقطوعة من قضبان السليكون النقية المسحوبة، ويتم محاذاة الخلية بأكملها في اتجاه واحد، مما يعني أنه عندما تكون الشمس مشرقة عليها في الزاوية الصحيحة فإنها تكون فعالة للغاية، لذلك تعمل هذه الألواح بشكل أفضل مع أشعة الشمس الساطعة عليها مباشرة.
• خلايا الألواح متعددة البلورة: تتكون تلك الألواح من مقاطع السيليكون إلا إنه يتم تشكيلها لتصبح في هيئة كتل، وتتميز خلاياها الشمسية بأنها مكونة من عدة أجزاء من البلورة النقية، ونظرًا لأن البلورات الفردية ليست بالضرورة في محاذاة تمامًا مع بعضها البعض، فهي ليست فعالة تمامًا.
• خلايا الألواح الهجينة: وتتميز خلاياها الشمسية بأنها طبقة رقيقة غير متبلورة خلف الخلايا أحادية البلورة، وهذه هي أكثر ألواح الخلايا الشمسية فاعلية.

عيوب استخدام الخلايا الشمسية

لا يكفي توضيح إجابة سؤال: "ما هي الخلايا الشمسية؟" من خلال سرد مزاياها فقط لأن لتلك الخلايا عيوب في استخدامها أيضًا، ورغم التوسع في استخدام الخلايا الشمسية في السنوات الأخيرة إلا أنّ هذا لا يعني أنها خالية من العيوب والمآخذ، وتجري الآن محاولات علمية عديدة للتغلب على تلك العيوب، ويمكن توضيح بعض عيوب الخلايا الشمسية فيما يأتي:^[٥]

• التكلفة: التكلفة الأولية لشراء ألواح الخلايا الشمسية مرتفعة إلى حدٍ ما، وهذا يشمل دفع ثمن الألواح الشمسية والعاكس والبطاريات والأسلاك والتركيب.
• ظروف المناخ: على الرغم من أنه لا يزال من الممكن جمع الطاقة الشمسية خلال الأيام الملبدة بالغيوم والممطرة إلا إن كفاءة النظام الشمسي تحت ظروف المناخ المشابهة تقل، فالألواح الشمسية تعتمد على أشعة الشمس لجمع الطاقة الشمسية بشكل فعال، لذلك يمكن أن يكون هناك تأثير ملحوظ على نظام الخلايا الشمسية في الأيام التي لا تسطع فيها الشمس.
• تخزين الطاقة الشمسية: يجب استخدام الطاقة الشمسية على الفور وإلا فيمكن تخزينها في بطاريات كبيرة، ويمكن شحن هذه البطاريات المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة خلال النهار حتى يتم استخدام الطاقة في الليل، وهذا حل جيد لاستخدام الطاقة الشمسية طوال اليوم ولكنه ما يعيبه أنه مكلف وباهظ الثمن للغاية.

المراجع

1. ↑ "Solar energy", en.wikipedia.org, Retrieved 02-11-2019. Edited.
2. ↑ "Solar cell", www.wikiwand.com/, Retrieved 02-11-2019. Edited.
3. ↑ "Solar cell", www.britannica.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
4. ↑ "What are the types of Solar panels?", www.quora.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
5. ↑ "What are some disadvantages of solar energy?", www.quora.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.