فهم تحويل الطاقة الكهروضوئية: كيف تعمل الخلية الشمسية بكفاءة؟

 في هذا المقال، سنستعرض مفاهيم أساسية لفهم كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية باستخدام الخلايا الشمسية، مع التركيز على الظواهر الفيزيائية التي تحتاج إلى توازن لتحقيق أعلى كفاءة ممكنة.

نظرة عامة على عمل الخلية الشمسية

الخلية الشمسية النموذجية تُصنع عادةً من رقاقة سليكون من النوع p، يتم تطعيم الجزء العلوي منها ليصبح من النوع n، ويُطلق على هذا الجزء اسم "الباعث" لأنه يصدر الإلكترونات. رغم إمكانية تصنيع خلايا من النوع n، فإن خلايا النوع p ما زالت الأكثر شيوعًا لأسباب تاريخية.

الخطوة الأولى: امتصاص الضوء

عندما يسقط الضوء على سطح الخلية الشمسية، يُعكس جزء صغير منه، بينما يخترق الجزء الآخر الخلية ويُمتص داخلها. تختلف أعماق الامتصاص باختلاف الطول الموجي: فالموجات الطويلة تخترق أعمق في المادة مقارنة بالموجات القصيرة.

عندما يُمتص فوتون (جسيم الضوء)، يتم توليد زوج إلكترون-فجوة. ويعتمد ما إذا كان هذا الزوج يساهم في التيار الكهربي على مكان توليده. إذا تم توليده بعيدًا عن منطقة الشحن الفضائي، قد يعيد الاتحاد دون أن يُجمّع، مما يقلل من كفاءة الخلية.

التشتت والانكسار: تقليل الفقد في الضوء

الضوء ليس مجرد جسيمات، بل يمكن تمثيله أيضًا كموجة كهرومغناطيسية. عندما يعبر الضوء من الهواء إلى السليكون، ينكسر ويغيّر اتجاهه بسبب اختلاف معامل الانكسار. لتقليل الانعكاس، يمكن تغطية السطح بطبقة مضادة للانعكاس بسمك معين (ربع الطول الموجي)، أو يمكن تمويج السطح لزيادة احتمالية دخول الضوء مرة أخرى بعد انعكاسه، وهو ما يُعرف بالنقش السطحي.

قانون لامبرت-بير وامتصاص الضوء

يتبع امتصاص الضوء داخل الخلية قانون لامبرت-بير، الذي يصف تناقص شدة الضوء بشكل أسي مع العمق. معامل الامتصاص يعتمد على الطول الموجي، فمثلاً في السليكون، تُمتص الأطوال الموجية القصيرة (الأشعة فوق البنفسجية) بسرعة قريبة من السطح، بينما تحتاج الأطوال الطويلة (الأشعة تحت الحمراء) إلى أعماق تصل إلى 200 ميكرون.

انتقال وتجميع الشحنات

لكي يتم جمع التيار، يجب أن تنتقل الشحنات إلى منطقة الشحن الفضائي، حيث يتم فصل الإلكترونات عن الفجوات بفضل المجال الكهربائي. الشحنات التي تُولد بعيدًا عن هذه المنطقة قد تعيد الاتحاد قبل أن تُجمع. وهنا يأتي دور ما يُعرف بـ طول الانتشار الذي يُمثل المسافة التي يمكن لحامل الشحنة قطعها قبل أن يعيد الاتحاد.

الحد من إعادة الاتحاد عند التلامس المعدني

عند التقاء المعدن بأشباه الموصلات، تحدث نسبة عالية من إعادة الاتحاد. لتقليل هذا الأثر، تُستخدم تقنيات مثل تقليل مساحة التلامس أو تطعيم المنطقة المحاذية للمعدن بشكل مكثف، ما يُشكل حقلًا كهربائيًا يُبعد الشحنات الأقلية عن المعدن، وتُعرف هذه التقنية بـ الحقل الخلفي السطحي (BSF).

الشبكة المجمّعة للتيار

تُجمع التيارات من خلال شبكة معدنية من "أصابع" و"قضبان تجميع" (Busbars). يجب أن تُصمم هذه الشبكة بعناية لتوازن بين فقد الضوء بسبب التظليل وفقد الطاقة بسبب المقاومة. عادةً تُطبع هذه الشبكة باستخدام معجون فضة خاص.

تحسين كفاءة الخلية الشمسية

لتحقيق أعلى كفاءة، يجب موازنة العوامل التالية:

• جهد الخرج: يتأثر بفرق الجهد بين النوعين p وn، والذي يرتبط بفجوة الطاقة في المادة.

• التيار الناتج: يعتمد على كمية الضوء الممتص وعدد الأزواج إلكترون-فجوة التي تُجمع بنجاح.

• السمك المناسب: يجب أن يسمح بامتصاص كافٍ للضوء مع تقليل المسافة اللازمة لانتقال الشحنات.

• النقاء البلوري: وجود شوائب مثل الحديد والكربون يزيد من معدلات إعادة الاتحاد.

الخلاصة

يدخل الضوء إلى الخلية، يُمتص حسب قانون لامبرت-بير، يولد أزواج إلكترون-فجوة، ثم تُجمع الشحنات في الشبكة المعدنية لتوفير التيار الكهربي. إن هندسة الخلية الشمسية المثالية تهدف إلى تعظيم فرق الجهد وتيار الخرج، وتقليل الفقد بسبب الانعكاس أو إعادة الاتحاد.

بهذا، نكون قد غطينا المبادئ الأساسية لتحويل الطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الشمسية، والتي تُعد حجر الأساس لفهم الأجيال المتقدمة من الخلايا الكهروضوئية.

#الخلايا_الشمسية
#الطاقة_الشمسية
#كفاءة_الخلايا_الشمسية
#الطاقة_المتجددة
#فيزياء_الضوء
#أشباه_الموصلات
#تحويل_الطاقة
#تكنولوجيا_شمسية
#هندسة_كهربائية
#طيف_شمسي
#امتصاص_الضوء
#الطاقة_النظيفة
#كهرباء_من_الشمس
#تجميع_التيار
#لامبرت_بير
#الجيل_الشمسي_القادم
#الانبعاث_الضوئي
#الطاقة_الخضراء
#سليكون_شمسي
#بيئة_مستدامة