كيف تعمل الخلية الشمسية؟

عندما تشرق الشمس على تقاطع أشباه الموصلات PN، يتم تشكيل زوج جديد من الإلكترونات. تحت تأثير المجال الكهربائي في تقاطع PN، تتدفق الثقوب المولدة ضوئيًا إلى المنطقة p وتتدفق الإلكترونات المولدة ضوئيًا إلى المنطقة n، ويتم إنشاء التيار بعد تشغيل الدائرة. هذه هي الطريقة التي تعمل بها الخلايا الشمسية ذات التأثير الكهروضوئي.

 

هناك طريقتان لتوليد الطاقة الشمسية، إحداهما طريقة التحويل من الضوء إلى الحرارة والكهرباء، والأخرى هي طريقة التحويل المباشر من الضوء إلى الكهرباء.

 

تحويل الضوء والحرارة والكهرباء:

 

تعمل طريقة تحويل الضوء والحرارة والكهرباء على توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الناتجة عن الإشعاع الشمسي، والتي يتم تحويلها بشكل عام بواسطة المجمع الشمسي إلى بخار وسط العمل، ومن ثم تشغيل التوربين لتوليد الكهرباء.

 

العملية السابقة هي عملية تحويل الحرارة الخفيفة؛ والعملية الأخيرة هي عملية تحويل الحرارة إلى الكهرباء، وهي نفس عملية توليد الطاقة الحرارية العادية. عيب توليد الطاقة الحرارية الشمسية هو أن كفاءتها منخفضة للغاية والتكلفة مرتفعة للغاية، وتشير التقديرات إلى أن استثمارها أغلى بما لا يقل عن 5 إلى 10 مرات من محطات الطاقة الحرارية العادية.

 

تتطلب محطة الطاقة الحرارية الشمسية بقدرة 1000 ميجاوات استثمارًا يتراوح بين 2 إلى 2.5 مليار دولار أمريكي، ومتوسط ​​استثمار 1 كيلووات هو 2000 إلى 2500 دولار أمريكي. لذلك، لا يمكن استخدامه إلا على نطاق صغير للمناسبات الخاصة، والاستخدام على نطاق واسع غير اقتصادي اقتصاديًا، ولا يمكنه منافسة محطات الطاقة الحرارية العادية أو محطات الطاقة النووية.

 

التحويل البصري إلى الكهربائي المباشر:

 

يتم توليد الطاقة من الخلايا الشمسية وفقًا للخصائص الكهروضوئية لمواد معينة. تشع الأجسام السوداء (مثل الشمس) موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية مختلفة (تتوافق مع ترددات مختلفة)، مثل الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي وما إلى ذلك.

 

عندما تضرب هذه الأشعة موصلات أو أشباه موصلات مختلفة، تتفاعل الفوتونات مع الإلكترونات الحرة في الموصلات أو أشباه الموصلات لتوليد تيار كهربائي. كلما كان الطول الموجي للشعاع أقصر، كلما زاد التردد، زادت الطاقة، على سبيل المثال، طاقة الأشعة فوق البنفسجية أعلى بكثير من طاقة الأشعة تحت الحمراء.

 

ومع ذلك، لا يمكن تحويل جميع الأطوال الموجية لطاقة الشعاع إلى كهرباء، تجدر الإشارة إلى أن التأثير الكهروضوئي مستقل عن شدة الشعاع، فقط عندما يصل التردد أو يتجاوز العتبة التي يمكن أن تنتج تأثيرًا كهروضوئيًا، يمكن توليد تيار .

 

يرتبط الحد الأقصى للطول الموجي للضوء الذي يمكن أن يجعل أشباه الموصلات ينتج تأثيرًا كهروضوئيًا بعرض فجوة النطاق لشبه الموصل، مثل عرض فجوة النطاق للسيليكون البلوري الذي يبلغ حوالي 1.155 فولت عند درجة حرارة الغرفة، لذلك يجب أن يكون الطول الموجي للضوء أقل من 1100 نانومتر لإنتاج تأثير كهروضوئي للسيليكون البلوري.

 

إن توليد الطاقة بالخلايا الشمسية هو طريقة لتوليد الطاقة متجددة وصديقة للبيئة، ولن تنتج غازات دفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون في عملية توليد الطاقة ولن تلوث البيئة. وفقًا لمواد الإنتاج يتم تقسيمها إلى بطاريات أشباه الموصلات القائمة على السيليكون، وبطاريات الأغشية الرقيقة CdTe، وبطاريات الأغشية الرقيقة CIGS، وبطاريات الأغشية الرقيقة الحساسة للصبغ، وبطاريات المواد العضوية، وما إلى ذلك.

 

تنقسم خلايا السيليكون إلى خلايا بلورية مفردة وخلايا متعددة البلورات وخلايا رقيقة من السيليكون غير المتبلور. المعلمة الأكثر أهمية للخلايا الشمسية هي كفاءة التحويل. في الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون والتي تم تطويرها في المختبر، تبلغ كفاءة خلايا السيليكون أحادية البلورة 25.0%، وتبلغ كفاءة خلايا السيليكون متعددة البلورات 20.4%، وتبلغ كفاءة خلايا الأغشية الرقيقة CIGS 19.6%، وكفاءة خلايا السيليكون متعددة البلورات هي 20.4%، وخلايا الأغشية الرقيقة CIGS 19.6%. خلايا الأغشية الرقيقة CdTe هي 16.7%. تبلغ كفاءة خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون غير المتبلور (السيليكون غير المتبلور) 10.1٪

 

الخلية الشمسية هي نوع من العناصر الكهروضوئية التي يمكنها تحويل الطاقة، ويتكون هيكلها الأساسي من أشباه الموصلات من النوع P والنوع N. المادة الأساسية لأشباه الموصلات هي "السيليكون"، وهي مادة غير موصلة للكهرباء، ولكن إذا تم خلط شبه الموصل بشوائب مختلفة، فيمكن تحويلها إلى أشباه موصلات من النوع P وN، ومن ثم تحتوي أشباه الموصلات من النوع P على ثقب (أشباه الموصلات من النوع P تفتقد إلكترونًا سالب الشحنة، والذي يمكن اعتباره أكثر من مجرد شحنة موجبة).

 

يوجد فرق جهد إلكترون حر مع شبه الموصل من النوع N لتوليد التيار، فعندما تشرق الشمس ستثير الطاقة الضوئية الإلكترونات الموجودة في ذرة السيليكون، وسيتولد الحمل الحراري للإلكترونات والثقوب، وهذه الإلكترونات و سوف تتأثر الثقوب بالإمكانات المدمجة، التي تنجذب على التوالي بواسطة أشباه الموصلات من النوع N والنوع P، ويتم تجميعها عند كلا الطرفين. في هذا الوقت، إذا تم توصيل الأقطاب الكهربائية الخارجية لتشكيل حلقة، فهذا هو مبدأ توليد الطاقة من الخلايا الشمسية.

 

ببساطة، مبدأ توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية هو استخدام الخلايا الشمسية لامتصاص 0.4μm ~ 1.1μm الطول الموجي (لبلورات السيليكون) من ضوء الشمس، ويتم تحويل الضوء مباشرة إلى مخرجات طاقة كهربائية كوسيلة لتوليد الطاقة .

 

معلومات موسعة:

 

الخصائص الأساسية للخلايا الشمسية هي قطبية الخلايا الشمسية، ومعلمات أداء الخلايا الشمسية، وخصائص قياس الجهد لبطاريات حماية البيئة الكهربائية الشمسية. التفسير المحدد هو على النحو التالي

 

1، قطبية الخلايا الشمسية

تصنع الخلايا الشمسية السيليكونية عمومًا من هيكل من النوع P+/N أو هيكل من النوع N+/P، P+ وN+، مما يشير إلى النوع الموصل من مادة أشباه الموصلات في طبقة الضوء الأمامية للخلية الشمسية؛ يمثل N وP النوع الموصل للمادة شبه الموصلة الموجودة في الجزء الخلفي من الخلية الشمسية. ترتبط الخواص الكهربائية للخلية الشمسية بخصائص المواد شبه الموصلة المستخدمة في صنع الخلية.

 

2. معلمات أداء الخلايا الشمسية

تتكون معلمات أداء الخلية الشمسية من جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة والحد الأقصى لطاقة الخرج وعامل التعبئة وكفاءة التحويل. هذه المعلمات هي علامة لقياس أداء الخلايا الشمسية.

 

3 خصائص قياس الجهد للخلايا الشمسية

تتكون الخلية الشمسية ذات الوصلة PN من وصلة PN ضحلة تتشكل على السطح، وشريط أوم أمامي على شكل إصبع، ووصلة أومية خلفية تغطي السطح الخلفي بالكامل، وطبقة مضادة للانعكاس في المقدمة.

 

عندما تتعرض البطارية للطيف الشمسي، فإن الفوتونات ذات الطاقات الأقل من عرض فجوة النطاق، على سبيل المثال، لا تساهم في خرج البطارية. تساهم الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من فجوة النطاق (Eg) بالطاقة (Eg) في خرج البطارية، ويتم استهلاك الطاقات الأقل من (Eg) كحرارة. ولذلك، في عملية تصميم وتصنيع الخلايا الشمسية، من الضروري النظر في تأثير هذا الجزء من الحرارة على استقرار وعمر البطارية.