كيفيه عمل خلايا شمسيه
الخلايا الشمسيه الصبغيه او خلايا غريتسل هي صنف من الخلايا الشمسيه منخفضه التكلفه تنتمي الى مجموعه الخلايا الشمسيه رقيقه الغشاء.[1] وترتكز على صفيحه من انصاف النواقل توضع بين مصعد حساس للضوء وكهرل. وقد اخترع هذه الخليه ميشيل غريتسل وبراين اوريغان سنه 1991 [2] وقد نال غريتسل سنه 2024 جائزه الالفيه للتكنلوجيا عليها.[3]
وبما انها مصنوعه من مواد منخفضه التكلفه ولا تحتاج الى اجهزه دقيقه لتصنيعها، اصبحت هذه الخليه جذابه من الناحيه التقنيه . وبالمثل، يمكن ان تكون تكاليف تصنيعها اقل تكلفه من التصاميم الاقدم للخلايا الصلبه . كما يمكن تصميمها على شكل الواح مرنه وقويه ميكانيكيا،وبالتالي لا تتطلب نظام للحمايه من الحوادث البسيطه مثل الضربات الشجر. على الرغم من كفاءه تحويلها اقل من افضل خلايا الاغشيه الرقيقه ،فانه من الناحيه النظريه سعره / نسبه الاداء مرتفعه بما يكفي للسماح لهم لتنافس معالوقود الاحفوري لتوليد الكهرباء عن طريق تحقيق تكافؤ الشبكه . ومن 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) والذي يحوي على كميه اضافيه من الالكترونات الحره والاخر مطعم بشوائب من النوع p (نصف ناقل من النوع p) والذي ينقصه الكترونات حره . وعندما 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 فيرمي لمادتين. وفي النتيجه نصل في منطقه اتصال p-n بحيث تستنفذ حوامل الشحنات وتتراكم في احد الجانبين. ينتج انتقال الالكترونات في السيلكون جهد حاجزي 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 مايكفي من الطاقه في السيليكون لتدفع الالكترونات في نطاق التكافؤ الى مستوى اعلى وهو نطاق التوصيل. عندما تصل الخليه الشمسيه مع حمل خارجي ستتحرك الالكترونات من الجانب n الى الجانب p، ويتم خسر جزء من الطاقه في الحمل، ومن ثم تعود الالكترونات الى n ليعاد دمجها في n ضمن نطاق التكافوء، وهكذا تنشا اشعه الشمس تيار كهربائي.[5]
تعني فجوه النطاق في اي نصف ناقل بان الفوتونات بكميه محدده من الطاقه او اكثر يمكن ان تساهم في انشاء تيار كهربائي. في حاله السيليكون، فان الغالبيه العظمى من الضوء المرئي من اللون الاحمر الى البنفسجي ذو طاقه كافيه لتحقيق ذلك. وبالتاكيد ان الاشعه ذات الطاقه الاعلى مثل الازرق والبنفسجي تمتلك القدره الاكثر لتوليد تيار. وعلى الرغم من ان نقل بعض من هذه الطاقه الاضافيه يذهب الى الالكترونات، لكن معظمها يضيع على شكل طاقه حراريه ، وبالتالي ومن 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 وجدت مسبقا في المواد قبل الوصول منطقه الاتصال n-p. تنتج هذه الاثار حدا اعلى 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 فوتوني عاليه ، ومعالجه السيليكون مكلفه . وقد وجدت عده طرق للمحاوله من الحد من التكلفه العاليه خلال العقود الماضيه ، ولا سيما طريقه الاغشيه الرقيقه ، ولكنها حتى الان لم تطبق سوى على نطاق ضيق، نتيجه لمجموعه كبيره من المشاكل العمليه .
خليه غريتسل الشمسيه
تتالف خليه غريتسل من طبقه مساميه رقيقه من جسيمات نانويه من ثنائي اكسيد التيتانيوم، مغطاه بصباغ جزيئي ليمتص اشعه الشمس. ويغمر ثاني اكسيد التيتانيوم بمحلول كهرلي وبوجد فوقه محفز بلاتيني. كما هو الحال في البطاريات القلويه التقليديه ، يتم وضع المصعد (ثاني اكسيد التيتانيوم) والمهبط (البلاتين) على جانبي المحلول الكهرلي.
تعبر اشعه الشمس من خلال الالكترود الشفاف لتصل الى الطبقه المصبوغه حيث تقوم باثاره الالكترونات والتي تخرج منالممصعد (ثاني اكسيد التيتانيوم) لتصل الى الالكترود الشفاف لتجمع من اجل توفير طاقه للحمل. وبعد ان يتدفق التيار خلال داره خارجيه ، يعاد ادخال الالكترونات الى الخليه عبر االكترود معدني ومن ثم الى المحلول الكهرلي ومن ثم يعاد الى جزيئات الصباغ من جديد. تفصل خليه غريتسل الوظيفتين التي يقدمها السيليكون في تصميم الخليه التقليديه . عاده يكون السيليكون بمثابه مصدر كل من الالكترونات الضوئيه، بالاضافه عن توفير الحقل الكهربائي لفصل الشحنات الموجهه اليه وانشاء التيار. بينما تستخدم خليه غريتسل الجزء الاكبر من انصاف النواقل لنقل الشحنات، وترد الالكترونات الضوئيه من صبغه حساسه للضوء بشكل منفصل. يحصل فصل الشحنات في المنطقه ما بين نصف الناقل والصبغه الحساسه والمحلول الكهرلي.
تكون جزيئات الصباغ صغيره جدا (من مرتبه النانو) وليتم التقاط او تجميع كميه معقوله من الضوء يجب ان يكون سمك طبقه الصباغ كبيره نسبيا. ولحل 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 وبذلك تقوم بوظيفه مزدوجه .
التركيب
تتالف خليه غريتسل الاساسيه (النموذج الاولي من هذه الخليه ) من ثلاث اجزاء رئيسيه . توجد في في الاعلى طبقه مصعد شفاف يتركب من الفلوريد المشاب ثنائي اكسيد القصدير وتتوضع هذه الطبقه خلف اللوح الزجاجي. وتتصل بطبقه رقيقه من ثاني اكسيد التيتانيوم والتي 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 ومذيب وبعد وضع 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 يوديدي فوق الصفيحه الموصله ، وبشكل عام تكون من البلاتين. وبعد ذلك يتم ضم الصفيحيتين مع بعضهما البعض وتحكمان لمنع تسرب الالكترونات.[7]
العمل
تدخل اشعه الشمس الخليه عن طريق الفلوريد الشفاف لتضرب الشوائب على سطح ثاني اكسيد القصدير. وهكذا تضرب الفوتونات الصباغ بكميه كافيه من الطاقه مشكله حاله اثاره للصباغ ليتم قذف الالكترونات. ولو تم قذف الالكترونات بدون تعويض هذه الالكترونات فان شريط الصباغ سيفقد حساسيته لذلك يتصل بكهرل اليوديد والذي يتاكسد الى ثلاثي اليوديد وتتم هذه العمليه بسرعه مقارنه بعمليه قذف الالكترونات. ويستعيد ثلاثي اليوديد الكتروناته المفقوده عن طريق ميكانيكيه الانتشار في قاع الخليه .
المردود
تحدد خصائص الخلايا الشمسيه من خلال عده خصائص ولعل ابرزها هو نسبه الطاقه الكهربائيه المنتجه نسبه الى الطاقه الشمسيه التي تتعرض لها الخليه ، وهو ما يعرف مردو الخليه او كفائتها او فعاليه .
اعتبر خليه غريتسل ذات مردود عالي بسبب البنيه النانونبه التي من شانها استيعاب عالي للفوتونات اضافه الى فعاليه الصباغ في تحرير الالكترونات.
