أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية

 انواع الخلايا الشمسية باتت في الآونة الأخيرة أكثر تعددًا بحيث لم تعد تقتصر فقط على التصنيف الثلاثي التقليدي، فمع تزايد الطلب على الطاقة الشمسية، ازدادت الحاجة إلى أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية لتسخير هذا المورد الوفير.

وفي الوقت الحاضر يعتمد حوالي 90% من الخلايا الكهروضوئية في العالم على بعض أشكال السيليكون، وحوالي نفس النسبة من الألواح الشمسية المنزلية، تستخدم أنظمة خلايا السيليكون البلورية.

يمكن للسيليكون الموجود في الخلايا الشمسية أن يتخذ أشكالًا مختلفة، لكن الشيء الأكثر أهمية هو نقاء السيليكون، وذلك لأنه يؤثر بشكل مباشر على كفاءتها، وما يعنيه النقاء، هو الطريقة التي تمت بها محاذاة جزيئات السيليكون، كلما كانت المحاذاة أفضل كان السيليكون الناتج أنقى، وهذا يؤدي في النهاية إلى معدلات تحويل أفضل لضوء الشمس إلى كهرباء.  

ما هي الخلايا الشمسية؟  

انواع الخلايا الشمسية قبل الحديث عنها يتعين تعريفها، فهي تسمى الخلايا الكهروضوئية، وتقوم بتحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية باستخدام التأثير الكهروضوئي.

يُطلق على التجمع الكبير للخلايا الشمسية اسم المصفوفات، والتي تتكون من آلاف الخلايا الفردية ويمكن تجميعها معًا في مزارع شمسية لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة للاستخدام التجاري والصناعي والسكني على نطاق واسع.

معظم الخلايا الشمسية مصنوعة من السيليكون، وعلى عكس البطاريات، لا تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية تفاعلات كيميائية، ولا تحتاج إلى وقود، بالإضافة إلى ذلك، لا تحتوي الخلايا الشمسية على أجزاء متحركة مثل المولدات الكهربائية.

مقدار الطاقة التي تولدها انواع الخلايا الشمسية ؟:

معظم الخلايا الشمسية قادرة فقط على التقاط حوالي 15% من الضوء الذي يصل إليها، وبطبيعة الحال، كلما كانت اللوحة أو المصفوفة الشمسية أكبر، كلما زادت الطاقة التي يمكنها التقاطها.

وتعمل أنظمة الطاقة الشمسية المنزلية على تحويل حوالي 20% من ضوء الشمس الذي تستقبله إلى كهرباء، بينما يمكن للأنظمة التجارية الأكثر تكلفة تحويل ما يصل إلى 40%، ومع ذلك مع التقدم التكنولوجي، من المتوقع أن ترتفع كفاءة استخدام الطاقة الشمسية لهذه الألواح.

يمكن للخلية الشمسية الواحدة التي يبلغ حجمها حجم قرص مضغوط أن تولد ما بين 3 إلى 4.5 واط.

ومن خلال وضع 40 من هذه الخلايا معًا في وحدة نموذجية الحجم، يمكنك توليد 100-300 واط، ويتم وضع العديد من هذه الوحدات معًا لتكوين عدة ألواح شمسية لتوليد عدة كيلووات من الطاقة.

ولا تزال مزارع الطاقة الشمسية قادرة على إنتاج المزيد من الطاقة، حيث تشير التقديرات إلى أن الأمر سيتطلب 22 ألف لوح على مساحة 30 فدانًا لتوليد 4.2 ميجاوات من الطاقة، وهي كمية تكفي لتزويد 1200 منزل بالطاقة.

 كيف تعمل انواع الخلايا الشمسية في خطوات؟

1. يدخل ضوء الشمس إلى النظام عبر طبقة بصرية أو طبقة مضادة للانعكاس تقلل من كمية الضوء المفقودة بسبب الانعكاس، وهذا يحبس الضوء ويعزز انتقاله إلى طبقات تحويل الطاقة الموجودة بالأسفل.

عادة ما تكون هذه الطبقة العليا المضادة للانعكاس عبارة عن أكسيد السيليكون أو التنتالوم أو التيتانيوم وتتشكل عن طريق الطلاء الدوراني أو الترسيب الفراغي.

2. يوجد أسفل الطبقة العلوية المضادة للانعكاس ثلاث طبقات لتحويل الطاقة، هي طبقة الوصلة العلوية والطبقة الممتصة وطبقة الوصلة الخلفية، وهناك أيضًا طبقتان إضافيتان للتلامس الكهربائي لنقل التيار الكهربائي إلى حمل خارجي ومن ثم العودة إلى الخلية لإكمال الدائرة الكهربائية.
3. تستخدم طبقة الاتصال الكهربائية العلوية الموجودة على سطح الخلية نمطًا شبكيًا يتكون من مادة موصلة جيدة مثل المعدن، ونظرًا لأن المعدن يحجب الضوء، فإن خطوط الشبكة تكون رفيعة ومتباعدة على نطاق واسع للسماح بمرور الضوء مع السماح أيضًا بجمع التيار الكهربائي.
4. لا تحتوي طبقة التلامس الكهربائي الخلفية على مثل هذه القيود وعادة ما تكون مصنوعة من المعدن فقط.
5. للحفاظ على كفاءة عالية، يجب أن يكون ممتص الخلايا الشمسية قادرًا على امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي عند الأطوال الموجية للضوء المرئي.
6. تشمل مواد أشباه الموصلات المستخدمة في الخلايا الشمسية سيلينيد الإنديوم النحاسي وزرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم والسيليكون.
7. تكون طبقات تشكيل الوصلات والاتصال أرق، مما يعني أن سمك الخلية الشمسية هو في الأساس سمك الممتص.
8. عندما يلتقي الضوء بخلية شمسية، تنتقل الإلكترونات الموجودة في الطبقة الممتصة من “الحالة الأرضية” ذات الطاقة المنخفضة حيث ترتبط بذرات محددة في المادة الصلبة، إلى “الحالة المثارة” حيث تكون قادرة على التحرك بحرية عبر المادة الصلبة.
9. تخلق طبقات تشكيل الوصلات مجالًا كهربائيًا مدمجًا ينتج التأثير الكهروضوئي، ويخلق هذا المجال الكهربائي حركة جماعية للإلكترونات بحيث تتدفق عبر طبقات الاتصال الكهربائية إلى دائرة خارجية.
10. يجب أن تكون طبقتا تشكيل الوصلات مختلفتين عن جهاز الامتصاص لإنتاج المجال الكهربائي لحمل التيار الكهربائي.
11. تحتاج الخلايا الشمسية إلى تغطية أكبر مساحة ممكنة لأن كمية الطاقة المنتجة تتناسب مع المساحة المضيئة.
12. بما أن الخلايا الشمسية لا تستطيع إنتاج الطاقة في الظلام، فإنها تقوم بتخزين بعض الطاقة بحيث يمكن استخدامها عند عدم توفر الضوء، ويمكن أن يكون ذلك عن طريق شحن بطاريات التخزين الكهروكيميائية وهي تشبه عملية التمثيل الضوئي في النباتات.

استخدامات انواع الخلايا الشمسية

انواع الخلايا الشمسية تتمتع بمجموعة متنوعة من الاستخدامات، بدءًا من وضعها على أسطح المنازل لاستبدال أو استكمال إمدادات الكهرباء المنزلية أو لتوفير الطاقة الكهربائية للمواقع التي لا تتوفر فيها المصادر التقليدية.

نظرًا لعدم وجود أجزاء متحركة أو وقود، تُستخدم الألواح الشمسية أيضًا على نطاق واسع في الفضاء، بما في ذلك الأقمار الصناعية والمحطات الفضائية.

تُستخدم الخلايا الشمسية في العديد من المنتجات الاستهلاكية، بما في ذلك الألعاب والآلات الحاسبة وأجهزة الراديو، يمكن لهذه الخلايا الشمسية أيضًا استخدام الضوء الاصطناعي وكذلك ضوء الشمس للحصول على الطاقة.

توفر الطاقة الشمسية بالفعل العديد من الفوائد للمستخدمين، بينما تساعد أيضًا في التخفيف من الأثر البيئي السلبي لتوليد الطاقة من الوقود الأحفوري. بالإضافة إلى انخفاض تلوث الهواء وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تأتي مع التحول إلى الطاقة الشمسية.

على أصغر نطاق، سمح لنا ذلك بتشغيل الساعات والآلات الحاسبة بدون بطاريات، في حين يمكن أيضًا تشغيل لافتات صيانة الطرق والسكك الحديدية بالطاقة الشمسية بحيث يمكن استخدامها حتى في أبعد المواقع. 

تُستخدم الطاقة الشمسية أيضًا في بعض البلدان لتشغيل مضخات المياه وصناديق الهاتف وحتى وحدات التبريد في المستشفيات والعيادات الصحية.

وستظل الطاقة الشمسية تجد تطبيقات محلية على نطاق أصغر، خاصة في البلدان النامية ذات المناخ المناسب، وتعتبر الطاقة الشمسية أيضًا مثالية للاستخدام المنزلي والتجاري على نطاق صغير، مما دفع البعض إلى تصور الوقت الذي يمكن فيه للجميع الاستغناء عن الشبكة وإنشاء إمدادات الطاقة الشخصية الخاصة بهم.  

انواع الخلايا الشمسية

التصنيف الرئيسي للخلايا الشمسية هو ثلاثة أنواع لكن يمكن لاعتبارات مختلفة زيادة الأنواع خلال التصنيف.

1. الخلايا الشمسية أحادية البلورية

تصنع الخلايا الشمسية أحادية البلورية من بنية بلورية واحدة، عادة من السيليكون، إنها توفر كفاءة عالية ومعروفة بمظهرها الموحد،  حيث أنها غالبًا ما تكون ملونة، وتحمل الخلايا شكلًا أسطوانيًا.، ومن أجل الحفاظ على انخفاض التكاليف والأداء عند المستويات المثلى، قام المصنعون بقطع الجوانب الأربعة للخلايا الأحادية البلورية، وهذا يمنحها مظهرهم المميز.

الخلايا الشمسية أحادية البلورية لديها أعلى مستوى من الكفاءة بنسبة 15-20%، فهي تتطلب مساحة أقل مقارنة بالأنواع الأخرى بسبب كفاءتها العالية.

هذا النوع من الخلايا الشمسية يدوم لفترة أطول، ويمنح معظم المصنعين ضمانًا لمدة 25 عامًا، أنها تؤدي بشكل أفضل في مستويات منخفضة من ضوء الشمس، مما يجعلها مثالية للمناطق الملبدة بالغيوم

إنها أغلى الخلايا الشمسية في السوق، وبالتالي فهي ليست في النطاق السعري للجميع، وتميل مستويات الأداء إلى المعاناة من ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، فهي خسارة صغيرة بالمقارنة مع الأشكال الأخرى من الخلايا الشمسية

2. الخلايا الشمسية متعددة البلورات

هذه الخلايا الشمسية مصنوعة من بلورات متعددة، مما يؤدي إلى مظهر أقل تناسقًا مقارنة بالخلايا أحادية البلورات ومع ذلك، فهي أكثر فعالية من حيث التكلفة وما زالت توفر كفاءة جيدة.

تم طرح الألواح الشمسية متعددة البلورات لأول مرة للجمهور في عام 1981، وعلى عكس الخلايا أحادية البلورات، لا تتطلب الخلايا متعددة البلورات قطع كل جانب من الجوانب الأربعة. وبدلاً من ذلك، يتم إذابة السيليكون وسكبه في قوالب مربعة. ثم تشكل هذه خلايا مربعة الشكل تمامًا.

وعملية التصنيع أرخص وأسهل من الخلايا أحادية البلورية، كما أن درجات الحرارة المرتفعة لها تأثيرات سلبية أقل على الكفاءة مقارنة بالخلايا الأحادية البلورية ، وهذا يجعل الخلايا متعددة البلورات أكثر جاذبية للأشخاص في المناطق الأكثر دفئًا نظرًا لانخفاض سعرها.

لكن تبلغ الكفاءة حوالي 13-16٪ فقط بسبب انخفاض مستويات نقاء السيليكون ، لذلك فهي ليست الأكثر كفاءة في السوق في استخدام المساحة، لذلك هناك حاجة إلى مساحة أكبر على السطح لتثبيت المزيد.

3. الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

يتم تصنيع هذا النوع من الخلايا الشمسية عن طريق ترسيب طبقات رقيقة من المواد الكهروضوئية على ركيزة مثل الزجاج أو المعدن، وتتميز خلايا الأغشية الرقيقة بخفة الوزن والمرونة ويمكن تصنيعها بتكلفة أقل.

هناك في الواقع بضعة أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، والطريقة التي تختلف بها عن بعضها البعض تعود إلى المادة المستخدمة في الطبقات الكهروضوئية، الأنواع هي كما يلي:

• السيليكون غير المتبلور
• تلوريد الكادميوم
• سيلينيد النحاس الإنديوم الغاليوم
• الخلايا الكهروضوئية العضوية

اعتمادًا على التكنولوجيا المستخدمة، تتراوح معدلات كفاءة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من 7٪ إلى 13٪، ويمكن تصنيعها لتكون مرنة، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع، وهي قابلة لمجموعة من المواقف وأنواع البناء، ومن السهل تحقيق الإنتاج الضخم، مما يجعلها أرخص في الإنتاج من الخلايا الشمسية البلورية.

لكنها ليست مثالية للاستخدام المنزلي لأنها تشغل مساحة كبيرة، وانخفاض كفاءة المساحة يعني أنها ستتسبب في مزيد من النفقات في شكل معززات، مثل كابلات هياكل الدعم.

4. الخلايا الشمسية السيليكونية غير المتبلورة

الخلايا الشمسية السيليكونية غير المتبلورة لها هياكل ذرية غير بلورية أو مضطربة، يمكن إيداعها على ركائز مختلفة مثل الزجاج أو البلاستيك وتوفر المرونة في التصميم.

5. الخلايا الكهروضوئية المركزة  CPV 

تستخدم خلايا CPV عدسات أو مرايا لتركيز ضوء الشمس على خلايا شمسية صغيرة متعددة الوصلات عالية الكفاءة، تسمح هذه التقنية بكفاءة تحويل أعلى ولكنها تتطلب ضوء الشمس المباشر للحصول على الأداء الأمثل.

6. الخلايا الشمسية العضوية OPVs

المعروفة أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية العضوية  OPVs، تستخدم هذه الخلايا الشمسية مواد عضوية يمكن طباعتها على ركائز مرنة باستخدام تقنيات تصنيع غير مكلفة.

7. الخلايا الشمسية من الجيل الثالث

تجمع أحدث تقنيات الخلايا الشمسية بين أفضل ميزات الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري والخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة لتوفير كفاءة عالية وتحسين التطبيق العملي للاستخدام.

تميل إلى أن تكون مصنوعة من السيليكون غير المتبلور أو البوليمرات العضوية أو بلورات البيروفسكايت، وتتميز بوصلات متعددة مكونة من طبقات من مواد شبه موصلة مختلفة.

هذه الخلايا لديها القدرة على أن تكون أرخص وأكثر كفاءة وأكثر عملية من الأنواع الأخرى من الخلايا، وقد ثبت أنها قادرة على تحقيق حوالي 30٪ من الكفاءة مع خلية شمسية ترادفية مصنوعة من البيروفسكايت والسيليكون.

زورنا على التيك توك