تكنولوجيا الطاقة الجديدة يوزيل المحدودة
الخلايا الكهروضوئية: الخلايا الشمسية والكهربية الشمسية في النظرية والتطبيق
- May 09, 2017 -

الخلايا الكهروضوئية: الخلايا الشمسية والكهربية الشمسية في النظرية والتطبيق

كلمة الضوئية هي مزيج من الكلمة اليونانية للضوء واسم الفيزيائي أليساندرو فولتا. وهو يحدد التحويل المباشر لأشعة الشمس إلى طاقة عن طريق الخلايا الشمسية. وتستند عملية التحويل على تأثير الكهروضوئية اكتشفها الكسندر بكريل في عام 1839. ويصف تأثير الكهروضوئية الإفراج عن الناقلين تهمة الإيجابية والسلبية في حالة صلبة عندما يضرب ضوء سطحه.

كيف تعمل الخلية الشمسية؟

وتتكون الخلايا الشمسية من مواد شبه موصلة مختلفة. أشباه الموصلات هي المواد، التي تصبح موصل كهربائيا عند تزويدها مع الضوء أو الحرارة، ولكن التي تعمل كعوازل في درجات حرارة منخفضة.

أكثر من 95٪ من جميع الخلايا الشمسية المنتجة في جميع أنحاء العالم وتتكون من مادة أشباه الموصلات السيليكون (سي). كما العنصر الثاني الأكثر وفرة في قشرة الأرض، والسيليكون لديه ميزة، من كونها متاحة بكميات كافية، وبالإضافة إلى ذلك معالجة المواد لا يثق بالبيئة. لإنتاج خلية شمسية، أشباه الموصلات ملوثة أو "مخدر". "تعاطي المنشطات" هو الإدخال المتعمد للعناصر الكيميائية، حيث يمكن للمرء أن يحصل على فائض من حاملات الشحنة الموجبة (طبقة أشباه الموصلات الموصلة ب) أو ناقلات الشحنة السالبة (طبقة التوصيل شبه الموصل) من مادة أشباه الموصلات. إذا تم الجمع بين اثنين من طبقات أشباه الموصلات الملوثة بشكل مختلف، ثم ما يسمى النتائج ين-تقاطع على حدود الطبقات.

نموذج الخلية الشمسية البلورية

عند هذا التقاطع، يتم بناء حقل كهربائي داخلي مما يؤدي إلى فصل حاملات الشحنة التي يتم تحريرها من الضوء. من خلال الاتصالات المعدنية، ويمكن استغلالها شحنة كهربائية. إذا تم إغلاق الدائرة الخارجية، وهذا يعني المستهلك متصل، ثم التدفقات الحالية المباشرة.

خلايا السيليكون حوالي 10 سم 10 سم كبيرة (مؤخرا أيضا 15 سم بنسبة 15 سم). فيلم شفاف مانع للانعكاس يحمي الخلية ويقلل من الخسارة العاكسة على سطح الخلية.

خصائص الخلية الشمسية

خط الجهد الحالي من الخلايا الشمسية سي

الجهد القابل للاستخدام من الخلايا الشمسية يعتمد على مادة أشباه الموصلات. في السيليكون أنها تصل إلى حوالي 0.5 فولت. الجهد الطرفية يعتمد فقط ضعيفا على الإشعاع الخفيف، في حين أن كثافة الحالية تزداد مع لمعان أعلى. فعلى سبيل المثال، تصل خلية السليكون التي تبلغ مساحتها 100 سم 2 إلى أقصى كثافة حالية تبلغ حوالي 2 A عند إشعاعها بمقدار 1000 واط / متر مربع.

الإخراج (المنتج من الكهرباء والجهد) من الخلايا الشمسية تعتمد على درجة الحرارة. ارتفاع درجات حرارة الخلية يؤدي إلى انخفاض الانتاج، وبالتالي لخفض الكفاءة. ويشير مستوى الكفاءة إلى مقدار الكميات المشعة من الضوء التي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية صالحة للاستعمال.

أنواع الخلايا المختلفة

يمكن للمرء أن يميز ثلاثة أنواع الخلايا وفقا لنوع من الكريستال: أحادية، الكريستالات وغير متبلور. لإنتاج خلية السيليكون أحادية، مواد شبه موصلة نقية تماما أمر ضروري. يتم استخراج قضبان أحادية البلورة من السيليكون المذاب ثم يتم نشرها في لوحات رقيقة. وتضمن عملية الإنتاج هذه مستوى عال نسبيا من الكفاءة.
إنتاج الخلايا الكريستالات هو أكثر كفاءة من حيث التكلفة. في هذه العملية، يتم سكب السيليكون السائل في كتل التي يتم نشرها لاحقا في لوحات. خلال التصلب من المواد، يتم تشكيل هياكل الكريستال من أحجام مختلفة، على الحدود التي تظهر العيوب. ونتيجة لهذا العيب البلوري، فإن الخلايا الشمسية أقل كفاءة.
إذا تم إيداع فيلم السيليكون على الزجاج أو مواد الركيزة الأخرى، وهذا هو ما يسمى غير متبلور أو طبقة طبقة رقيقة. سمك طبقة تصل إلى أقل من 1μm (سمك شعرة الإنسان: 50-100 ميكرون)، وبالتالي فإن تكاليف الإنتاج هي أقل بسبب انخفاض تكاليف المواد. ومع ذلك، فإن كفاءة الخلايا غير متبلور هو أقل بكثير من تلك من نوعين آخرين من الخلايا. وبسبب هذا، فهي تستخدم في المقام الأول في المعدات منخفضة الطاقة (الساعات، والحاسبات الجيب) أو كعناصر الواجهة.

مواد

مستوى الكفاءة في مختبر٪

مستوى الكفاءة في الإنتاج٪

مونوكريستالين سيليكون

تقريبا. 24

14 إلى 17

الكريستالات السيليكون

تقريبا. 18

13 إلى 15

السيليكون غير المتبلور

تقريبا. 13

5 إلى 7



من الخلية إلى الوحدة النمطية

من أجل جعل الفولتية والمخرجات المناسبة لمختلف التطبيقات، والخلايا الشمسية واحدة مترابطة لتشكيل وحدات أكبر. الخلايا متصلة في سلسلة لديها الجهد العالي، في حين أن تلك المتصلة بالتوازي تنتج المزيد من التيار الكهربائي. وعادة ما تكون الخلايا الشمسية المترابطة جزءا لا يتجزأ من شفافة إثيل الفينيل، خلات، مزودة الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ الإطار ومغطاة الزجاج الشفاف على الجانب الأمامي.

وتتراوح درجات القدرة النمطية لهذه الوحدات الشمسية بين 10 وبيك و 100 وباك. تشير البيانات المميزة إلى ظروف الاختبار القياسية للإشعاع الشمسي 1000 واط / متر مربع عند درجة حرارة الخلية 25 درجة مئوية. الضمان القياسية للشركة المصنعة لمدة عشر سنوات أو أكثر طويلة جدا ويظهر معايير الجودة العالية والعمر المتوقع لمنتجات اليوم.

الحدود الطبيعية للكفاءة

المستويات القصوى النظرية لكفاءة الخلايا الشمسية المختلفة في الظروف القياسية

وبالإضافة إلى تحسين عمليات الإنتاج، يجري العمل أيضا لزيادة مستوى الكفاءة، من أجل خفض تكاليف الخلايا الشمسية. ومع ذلك، فإن آليات الخسارة المختلفة تضع حدودا لهذه الخطط. في الأساس، فإن مواد أشباه الموصلات المختلفة أو مجموعات مناسبة فقط ل نطاقات طيفية محددة. ولذلك لا يمكن استخدام جزء معين من الطاقة المشعة، لأن كوانت الضوء (الفوتونات) لا تملك ما يكفي من الطاقة ل "تفعيل" حاملات الشحنة. ومن ناحية أخرى، يتم تحويل كمية معينة من الطاقة الفوتونية الفائضة إلى حرارة بدلا من تحويلها إلى طاقة كهربائية. وبالإضافة إلى ذلك، هناك خسائر بصرية، مثل التظليل من سطح الخلية من خلال الاتصال مع سطح الزجاج أو انعكاس الأشعة الواردة على سطح الخلية. آليات الخسارة الأخرى هي خسائر المقاومة الكهربائية في أشباه الموصلات وكابل التوصيل. ومع ذلك، فإن التأثير المدمر للتلوث المادي، والآثار السطحية وعيوب الكريستال، هي أيضا هامة.
آليات فقدان واحدة (الفوتونات مع القليل جدا من الطاقة لا يمتص، وتحول الطاقة الفوتون الفائض إلى حرارة) لا يمكن تحسينها بسبب الحدود المادية المتأصلة التي تفرضها المواد نفسها. وهذا يؤدي إلى أقصى مستوى نظري من الكفاءة، أي ما يقرب من 28٪ للسيليكون الكريستال.