3:28 مساءً الأحد 16 ديسمبر، 2018

كيفية عمل خلايا شمسية


كيفيه عمل خلايا شمسيه
صورة كيفية عمل خلايا شمسية

الخلايا الشمسيه الصبغيه او خلايا غريتسل هى صنف من الخلايا الشمسيه منخفضه التكلفه تنتمى الى مجموعه الخلايا الشمسيه رقيقه الغشاء.[1] و ترتكز على صفيحه من انصاف النواقل توضع بين مصعد حساس للضوء و كهرل.

و قد اخترع هذه الخليه ميشيل غريتسل و براين اوريغان سنه 1991 [2] و قد نال غريتسل سنه 2019 جائزه الالفيه للتكنلوجيا عليها.[3]

وبما انها مصنوعه من مواد منخفضه التكلفه و لا تحتاج الى اجهزه دقيقه لتصنيعها،

اصبحت هذه الخليه جذابه من الناحيه التقنيه .



و بالمثل،

يمكن ان تكون تكاليف تصنيعها اقل تكلفه من التصاميم الاقدم للخلايا الصلبه .



كما يمكن تصميمها على شكل الواح مرنه و قويه ميكانيكيا،وبالتالى لا تتطلب نظام للحمايه من الحوادث البسيطه مثل الضربات الشجر.

علي الرغم من كفاءه تحويلها اقل من افضل خلايا الاغشيه الرقيقه ،

فانه من الناحيه النظريه سعره / نسبه الاداء مرتفعه بما يكفى للسماح لهم لتنافس معالوقود الاحفورى لتوليد الكهرباء عن طريق تحقيق تكافؤ الشبكه .



و من المتوقع الان ان تنتشرتطبيقاتها التجاريه .

[4]

خلايا انصاف النواقل الشمسيه

تصنع خلايا انصاف النواقل الصلبه التقليديه من بللورتين مطعمتين،

بحيث يطعم احدهما بشوائب من النوع n نصف ناقل من النوع n و الذى يحوى على كميه اضافيه من الالكترونات الحره و الاخر مطعم بشوائب من النوع p نصف ناقل من النوع p و الذى ينقصه الكترونات حره .



و عندما تصبح البللورتين على تماس تنتقل الالكترونات الحره من النصف ناقل n لتملا الفجوات في النصف ناقل p.

ستعبر في النهايه كميه كافيه من الالكترونات لتعادل مستويات فيرمى لمادتين.

و في النتيجه نصل في منطقه اتصال p-n بحيث تستنفذ حوامل الشحنات و تتراكم في احد الجانبين.

ينتج انتقال الالكترونات في السيلكون جهد حاجزى يتراوح ما بين 0.6-0.7 فولط.[5]

عندما توضع الخلايا الشمسيه في الشمس،

تثير فوتونات اشعه الشمس الالكترونات في جانب نصف الناقل n في عمليه تعرف عمليه بالعمليه الكهرضوكيميائيه .



توفر اشعه الشمس ما يكفى من الطاقه في السيليكون لتدفع الالكترونات في نطاق التكافؤ الى مستوي اعلي و هو نطاق التوصيل.

عندما تصل الخليه الشمسيه مع حمل خارجى ستتحرك الالكترونات من الجانب n الى الجانب p،

و يتم خسر جزء من الطاقه في الحمل،

و من ثم تعود الالكترونات الى n ليعاد دمجها في n ضمن نطاق التكافوء،

و هكذا تنشا اشعه الشمس تيار كهربائي.[5]

تعنى فجوه النطاق في اي نصف ناقل بان الفوتونات بكميه محدده من الطاقه او اكثر يمكن ان تساهم في انشاء تيار كهربائي.

فى حاله السيليكون،

فان الغالبيه العظمي من الضوء المرئى من اللون الاحمر الى البنفسجى ذو طاقه كافيه لتحقيق ذلك.

و بالتاكيد ان الاشعه ذات الطاقه الاعلي مثل الازرق و البنفسجى تمتلك القدره الاكثر لتوليد تيار.

و على الرغم من ان نقل بعض من هذه الطاقه الاضافيه يذهب الى الالكترونات،

لكن معظمها يضيع على شكل طاقه حراريه ،



و بالتالى و من اجل ان تكون هناك فرصه جيده لالتقاط الفوتونات،

تصنع طبقه من نوع n بحيث تكون سميكه نوعا ما .

هذا يزيد ايضا من احتمال التقاء الالكترون المقذوف حديثا مع فجوه و جدت مسبقا في المواد قبل الوصول منطقه الاتصال n-p.

تنتج هذه الاثار حدا اعلي من كفاءه خلايا السليكون الشمسيه .

تعتبر التكلفه المرتفعه اكبر مشاكل الخلايا التقليديه .



حيث تتطلب طبقه سميكه نسبيا من السيليكون المشوب من اجل الحصول على نسبه التقاط فوتونى عاليه ،



و معالجه السيليكون مكلفه .



و قد و جدت عده طرق للمحاوله من الحد من التكلفه العاليه خلال العقود الماضيه ،



و لا سيما طريقه الاغشيه الرقيقه ،



و لكنها حتى الان لم تطبق سوي على نطاق ضيق،

نتيجه لمجموعه كبيره من المشاكل العمليه .

خليه غريتسل الشمسيه

تتالف خليه غريتسل من طبقه مساميه رقيقه من جسيمات نانويه من ثنائى اكسيد التيتانيوم،

مغطاه بصباغ جزيئى ليمتص اشعه الشمس.

و يغمر ثانى اكسيد التيتانيوم بمحلول كهرلى و بوجد فوقه محفز بلاتيني.

كما هو الحال في البطاريات القلويه التقليديه ،



يتم و ضع المصعد ثانى اكسيد التيتانيوم و المهبط البلاتين على جانبى المحلول الكهرلي.

تعبر اشعه الشمس من خلال الالكترود الشفاف لتصل الى الطبقه المصبوغه حيث تقوم باثاره الالكترونات و التى تخرج منالممصعد ثانى اكسيد التيتانيوم لتصل الى الالكترود الشفاف لتجمع من اجل توفير طاقه للحمل.

و بعد ان يتدفق التيار خلال داره خارجيه ،



يعاد ادخال الالكترونات الى الخليه عبر االكترود معدنى و من ثم الى المحلول الكهرلى و من ثم يعاد الى جزيئات الصباغ من جديد.

تفصل خليه غريتسل الوظيفتين التى يقدمها السيليكون في تصميم الخليه التقليديه .



عاده يكون السيليكون بمثابه مصدر كل من الالكترونات الضوئيه،

بالاضافه عن توفير الحقل الكهربائى لفصل الشحنات الموجهه اليه و انشاء التيار.

بينما تستخدم خليه غريتسل الجزء الاكبر من انصاف النواقل لنقل الشحنات،

و ترد الالكترونات الضوئيه من صبغه حساسه للضوء بشكل منفصل.

يحصل فصل الشحنات في المنطقه ما بين نصف الناقل و الصبغه الحساسه و المحلول الكهرلي.

تكون جزيئات الصباغ صغيره جدا من مرتبه النانو و ليتم التقاط او تجميع كميه معقوله من الضوء يجب ان يكون سمك طبقه الصباغ كبيره نسبيا.

و لحل هذه المشكله تستخدم مواد نانونيه تعمل كسقاله للامساك بجزيئات الصباغ على شكل بنيه ثلاثيه البعد.مما يزيد في من عدد الجزيئات في اي سطح من الخليه .



تصنع هذه السقالات(الدواعم في التصاميم الحديثه من مواد من انصاف النواقل و بذلك تقوم بوظيفه مزدوجه .

التركيب

تتالف خليه غريتسل الاساسيه النموذج الاولى من هذه الخليه من ثلاث اجزاء رئيسيه .



توجد في فى الاعلي طبقه مصعد شفاف يتركب من الفلوريد المشاب ثنائى اكسيد القصدير و تتوضع هذه الطبقه خلف اللوح الزجاجي.

و تتصل بطبقه رقيقه من ثانى اكسيد التيتانيوم و التى تشكل بنيه مليئه بالفجوات الالكترونيه مع مساحه سطح كبيره .



يمتص اكسيد القصدير جزء قليل من الاشعه الشمسيه اشعه فوق بنفسجيه .[6] تغمر الصفيحه بعد ذلك بصباغ يتركب من صباغ بيريدينالروثينيوم و مذيب و بعد و ضع الغشاء في محلول الصباغ،[6] تتوضع طبقه رقيقه من الصباغ على الصفيحه تاركه روابط تسانديه على السطح مع اكسيد القصدير.

بعد ذلك تصنع طبقه رقيقه عن طريق رش كهرل يوديدى فوق الصفيحه الموصله ،



و بشكل عام تكون من البلاتين.

و بعد ذلك يتم ضم الصفيحيتين مع بعضهما البعض و تحكمان لمنع تسرب الالكترونات.[7]

العمل

تدخل اشعه الشمس الخليه عن طريق الفلوريد الشفاف لتضرب الشوائب على سطح ثانى اكسيد القصدير.

و هكذا تضرب الفوتونات الصباغ بكميه كافيه من الطاقه مشكله حاله اثاره للصباغ ليتم قذف الالكترونات.

و لو تم قذف الالكترونات بدون تعويض هذه الالكترونات فان شريط الصباغ سيفقد حساسيته لذلك يتصل بكهرل اليوديد و الذى يتاكسد الى ثلاثى اليوديد و تتم هذه العمليه بسرعه مقارنه بعمليه قذف الالكترونات.

و يستعيد ثلاثى اليوديد الكتروناته المفقوده عن طريق ميكانيكيه الانتشار في قاع الخليه .

المردود

تحدد خصائص الخلايا الشمسيه من خلال عده خصائص و لعل ابرزها هو نسبه الطاقه الكهربائيه المنتجه نسبه الى الطاقه الشمسيه التى تتعرض لها الخليه ،



و هو ما يعرف مردو الخليه او كفائتها او فعاليه .

اعتبر خليه غريتسل ذات مردود عالى بسبب البنيه النانونبه التى من شانها استيعاب عالى للفوتونات اضافه الى فعاليه الصباغ في تحرير الالكترونات.

337 views

كيفية عمل خلايا شمسية