طريقة عمل خلايا شمسيه
الخلايا الشمسية الصبغية او خلايا غريتسل هى صنف من الخلايا الشمسية منخفضة التكلفة تنتمى الي مجموعة الخلايا الشمسية رقيقة الغشاء.[1] و ترتكز علي صفيحة من انصاف النواقل توضع بين مصعد حساس للضوء و كهرل. و ربما اخترع هذة الخلية ميشيل غريتسل و براين اوريغان سنة 1991 [2] و ربما نال غريتسل سنة 2023 جائزة الالفية للتكنلوجيا عليها.[3]
وبما انها مصنوعة من مواد منخفضة التكلفة و لا تحتاج الي اجهزة دقائق لتصنيعها، اصبحت هذة الخلية جذابة من الناحية التقنية . و بالمثل، ممكن ان تكون تكاليف تصنيعها اقل تكلفة من التصاميم الاقدم للخلايا الصلبة . كما ممكن تصميمها علي شكل الواح مرنة و قوية ميكانيكيا،وبالتالي لا تتطلب نظام للحماية من الحوادث البسيطة كالضربات الشجر. علي الرغم من كفاءة تحويلها اقل من اروع خلايا الاغشية الرقيقة ،فانة من الناحية النظرية سعرة / نسبة الاداء مرتفعة بما يكفى للسماح لهم لتنافس معالوقود الاحفورى لتوليد الكهرباء عن طريق تحقيق تكافؤ الشبكة . و من المتوقع الان ان تنتشرتطبيقاتها التجارية .[4]
خلايا انصاف النواقل الشمسية
تصنع خلايا انصاف النواقل الصلبة التقليدية من بللورتين مطعمتين، بحيث يطعم احدهما بشوائب من النوع n (نصف ناقل من النوع n) و الذي يحوى علي كمية اضافية من الالكترونات الحرة و الاخر مطعم بشوائب من النوع p (نصف ناقل من النوع p) و الذي ينقصة الكترونات حرة . و عندما تصبح البللورتين علي تماس تنتقل الالكترونات الحرة من النصف ناقل n لتملا الفجوات فالنصف ناقل p. ستعبر فالنهاية كمية كافية من الالكترونات لتعادل مستويات فيرمى لمادتين. و فالنتيجة نصل فمنطقة اتصال p-n بحيث تستنفذ حوامل الشحنات و تتراكم فاحد الجانبين. ينتج انتقال الالكترونات فالسيلكون جهد حاجزى يتراوح ما بين 0.6-0.7 فولط.[5]
عندما توضع الخلايا الشمسية فالشمس، تثير فوتونات اشعة الشمس الالكترونات فجانب نص الناقل n فعملية تعرف عملية بالعملية الكهرضوكيميائية . توفر اشعة الشمس ما يكفى من الطاقة فالسيليصبح لتدفع الالكترونات فنطاق التكافؤ الي مستوي اعلي و هو نطاق التوصيل. عندما تصل الخلية الشمسية مع حمل خارجى ستتحرك الالكترونات من الجانب n الي الجانب p، و يتم خسر جزء من الطاقة فالحمل، و من بعدها تعود الالكترونات الي n ليعاد دمجها فn ضمن نطاق التكافوء، و كذا تنشا اشعة الشمس تيار كهربائي.[5]
تعنى فجوة النطاق فاى نص ناقل بان الفوتونات بكمية محددة من الطاقة او اكثر ممكن ان تساهم فانشاء تيار كهربائي. فحالة السيليكون، فان الغالبية العظمي من الضوء المرئى من اللون الاحمر الي البنفسجى ذو طاقة كافية لتحقيق ذلك. و طبعا ان الاشعة ذات الطاقة الاعلي كالازرق و البنفسجى تمتلك القدرة الاكثر لتوليد تيار. و علي الرغم من ان نقل بعض من هذة الطاقة الاضافية يذهب الي الالكترونات، لكن معظمها يضيع علي شكل طاقة حرارية ، و بالتالي و من اجل ان تكون هنالك فرصة جيدة لالتقاط الفوتونات، تصنع طبقة من نوع n بحيث تكون سميكة نوعا ما . ذلك يزيد كذلك من احتمال التقاء الالكترون المقذوف حديثا مع فجوة و جدت مسبقا فالمواد قبل الوصول منطقة الاتصال n-p. تنتج هذة الاثار حدا اعلي من كفاءة خلايا السليصبح الشمسية .
تعتبر التكلفة المرتفعة اكبر مشاكل الخلايا التقليدية . حيث تتطلب طبقة سميكة نسبيا من السيليصبح المشوب من اجل الحصول علي نسبة التقاط فوتونى عالية ، و معالجة السيليصبح مكلفة . و ربما و جدت عدة طرق للمحاولة من الحد من التكلفة العالية اثناء العقود الماضية ، و لا سيما كيفية الاغشية الرقيقة ، و لكنها حتي الان لم تطبق سوي علي نطاق ضيق، نتيجة لمجموعة كبار من المشاكل العملية .
خلية غريتسل الشمسية
تتالف خلية غريتسل من طبقة مسامية رقيقة من جسيمات نانوية من ثنائى اكسيد التيتانيوم، مغطاة بصباغ جزيئى ليمتص اشعة الشمس. و يغمر ثاني اكسيد التيتانيوم بمحلول كهرلى و بوجد فوقة محفز بلاتيني. كما هو الحال فالبطاريات القلوية التقليدية ، يتم و ضع المصعد (ثاني اكسيد التيتانيوم) و المهبط (البلاتين) علي جانبى المحلول الكهرلي.
تعبر اشعة الشمس من اثناء الالكترود الشفاف لتصل الي الطبقة المصبوغة حيث تقوم باثارة الالكترونات و التي تظهر منالممصعد (ثاني اكسيد التيتانيوم) لتصل الي الالكترود الشفاف لتجمع من اجل توفير طاقة للحمل. و بعد ان يتدفق التيار اثناء دارة خارجية ، يعاد ادخال الالكترونات الي الخلية عبر االكترود معدنى و من بعدها الي المحلول الكهرلى و من بعدها يعاد الي جزيئات الصباغ من جديد. تفصل خلية غريتسل الوظيفتين التي يقدمها السيليصبح فتصميم الخلية التقليدية . عادة يصبح السيليصبح بمثابة مصدر جميع من الالكترونات الضوئيه، بالاضافة عن توفير الحقل الكهربائى لفصل الشحنات الموجهة الية و انشاء التيار. بينما تستعمل خلية غريتسل الجزء الاكبر من انصاف النواقل لنقل الشحنات، و ترد الالكترونات الضوئية من صبغة حساسة للضوء بشكل منفصل. يحصل فصل الشحنات فالمنطقة ما بين نص الناقل و الصبغة الحساسة و المحلول الكهرلي.
تكون جزيئات الصباغ صغار جدا جدا (من مرتبة النانو) و ليتم التقاط او تجميع كمية معقولة من الضوء يجب ان يصبح سمك طبقة الصباغ كبار نسبيا. و لحل هذة المشكلة تستعمل مواد نانونية تعمل كسقالة للامساك بجزيئات الصباغ علي شكل بنية ثلاثية البعد.مما يزيد فمن عدد الجزيئات فاى سطح من الخلية . تصنع هذة السقالات(الدواعم) فالتصاميم الجديدة من مواد من انصاف النواقل و بذلك تقوم بوظيفة مزدوجة .
التركيب
تتالف خلية غريتسل الاساسية (النموذج الاولى من هذة الخلية ) من ثلاث اجزاء رئيسية . توجد ففى الاعلي طبقة مصعد شفاف يتركب من الفلوريد المشاب ثنائى اكسيد القصدير و تتوضع هذة الطبقة خلف اللوح الزجاجي. و تتصل بطبقة رقيقة من ثاني اكسيد التيتانيوم و التي تشكل بنية مليئة بالفجوات الالكترونية مع مساحة سطح كبار . يمتص اكسيد القصدير جزء قليل من الاشعة الشمسية (اشعة فوق بنفسجية ).[6] تغمر الصفيحة بعد هذا بصباغ يتركب من صباغ بيريدينالروثينيوم و مذيب و بعد و ضع الغشاء فمحلول الصباغ،[6] تتوضع طبقة رقيقة من الصباغ علي الصفيحة تاركة روابط تساندية علي السطح مع اكسيد القصدير.
بعد هذا تصنع طبقة رقيقة عن طريق رش كهرل يوديدى فوق الصفيحة الموصلة ، و بشكل عام تكون من البلاتين. و بعد هذا يتم ضم الصفيحيتين مع بعضهما البعض و تحكمان لمنع تسرب الالكترونات.[7]
العمل
تدخل اشعة الشمس الخلية عن طريق الفلوريد الشفاف لتضرب الشوائب علي سطح ثاني اكسيد القصدير. و كذا تضرب الفوتونات الصباغ بكمية كافية من الطاقة مشكلة حالة اثارة للصباغ ليتم قذف الالكترونات. و لو تم قذف الالكترونات بدون تعويض هذة الالكترونات فان شريط الصباغ سيفقد حساسيتة لذا يتصل بكهرل اليوديد و الذي يتاكسد الي ثلاثى اليوديد و تتم هذة العملية بسرعة مقارنة بعملية قذف الالكترونات. و يستعيد ثلاثى اليوديد الكتروناتة المفقودة عن طريق ميكانيكية الانتشار فقاع الخلية .
المردود
تحدد خصائص الخلايا الشمسية من اثناء عدة خصائص و لعل ابرزها هو نسبة الطاقة الكهربائية المنتجة نسبة الي الطاقة الشمسية التي تتعرض لها الخلية ، و هو ما يعرف مردو الخلية او كفائتها او فعالية .
اعتبر خلية غريتسل ذات مردود عالى بسبب البنية النانونبة التي من شانها استيعاب عالى للفوتونات اضافة الي فعالية الصباغ فتحرير الالكترونات.
