مع تزايد الطلب العالمي على الطاقة النظيفة والخضراء، تكتسب الطاقة الشمسية شعبية متزايدة. وتُعد الخلايا الشمسية، باعتبارها المكون الأساسي لأنظمة الطاقة الشمسية، الأكثر أهمية. 

هنا في هذه المقالة، سوف نناقش مبدأ العمل، والتصنيف، والمزايا والعيوب، واتجاه التطوير المستقبلي للخلايا الشمسية حتى تتمكن من الحصول على فهم شامل للخلايا الشمسية.

ما هي الخلية الشمسية

تستخدم الخلايا الشمسية، أو الخلايا الكهروضوئية (PV)، مواد شبه موصلة مثل السيليكون. ببساطة، التأثير الكهروضوئي هو إثارة الإلكترونات وتيار كهربائي متولد عند اصطدام الفوتونات (جسيمات ضوء الشمس) بمواد شبه موصلة. تتحرك الإلكترونات في الدائرة، مولدةً تيارًا كهربائيًا يمكن للأجهزة الخارجية استخدامه.

مبدأ عمل الخلايا الشمسية

1: طبيعة تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية

المبدأ الأساسي للخلايا الشمسية هو التأثير الكهروضوئي. إذا كانت طاقة الفوتونات الشمسية الساقطة على مواد شبه موصلة مثل السيليكون أكبر من عرض فجوة نطاق المادة، فإنها تُثير الإلكترونات من نطاق التكافؤ لتتدفق إلى نطاق التوصيل لتكوين أزواج فجوات إلكترونية. تُنتج الحوامل المولدة ضوئيًا الطاقة الكهربائية.

2: تأثير فصل الوصلة PN

الجهاز الرئيسي للخلايا الشمسية هو الوصلة PN (مركب من أشباه موصلات من النوع P والنوع N). داخل الوصلة PN، يُنشئ فرق تركيز الناقل مجالًا كهربائيًا داخليًا يمتد من المنطقة N إلى المنطقة P.

يُجبر هذا المجال الكهربائي الإلكترونات على التجمع في المنطقة N والفجوات على التجمع في المنطقة P، مما يُولّد فرق جهد (جهد). عند تلامس دائرة خارجية، تتدفق الإلكترونات من المنطقة N إلى المنطقة P عبر الدائرة الخارجية، وتتحد مع الفجوات، مُولّدةً تيارًا ضوئيًا، وتُحوّل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.

3: دور المواد والبنية

المواد شبه الموصلة: أصبحت المواد القائمة على السيليكون (السيليكون أحادي البلورة، السيليكون متعدد البلورات) سائدة منذ أن أصبح عرض فجوة النطاق الخاصة بها مساويًا تقريبًا لعرض الطيف الشمسي؛ يتم تقليل تكلفة المواد ذات الأغشية الرقيقة (على سبيل المثال، CdTe) عن طريق ترقيقها.

التصميم البنيوي: على سبيل المثال، تعمل خلايا PERC على تقليل إعادة تركيب الناقلات من خلال تطبيق التخميل الخلفي، وتعمل خلايا TOPCon على تعظيم الكفاءة من خلال تطبيق طبقات أكسيد النفق، وتستخدم خلايا HJT السيليكون غير المتبلور والسيليكون البلوري معًا لتحسين أداء الواجهة.

4: تحويل الطاقة في التطبيقات العملية

تعتمد كفاءة الخلية الشمسية على معدل امتصاص الفوتون (المادة)، وكفاءة فصل الناقل (كتلة الوصلة PN)، والتحكم في فقدان الطاقة (تقليل إعادة التركيب والمقاومة).

وفي التطبيقات العملية، ومن خلال تعديل نقاء المواد، وتكنولوجيا التخميل السطحي، والهياكل متعددة الطبقات (خلايا البيروفسكايت المكدسة، على سبيل المثال)، يمكن تعزيز كفاءة التحويل الكهروضوئي بشكل أكبر، مما يؤدي في النهاية إلى الاستخدام الفعال للطاقة النظيفة.

ملخص

توليد حاملات الشحنة المولدة بالصور → الفصل الداخلي للشحنات بواسطة المجال الكهربائي → تكوين الدائرة الخارجية للتيار → تحسين المواد والبنية لتحسين الكفاءة.