كيف تعمل الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية؟

الطاقة الشمسية، هي الطاقة النظيفة التي تصل كوكبنا الأرضي، ويُقدر العلماء مجمل الطاقة التي تصل إلى كوكبنا من الشمس بـ 173 ألف تيراواط يومياً، أي ما يزيد عن 10 آلاف ضعف مجمل الطاقة التي يحتاجها العالم يوميّاً. علاوة على ذلك، هي طاقة مجانية ومستدامة، فلا حاجة لنا للتنقيب عنها وشرائها، لأن كل ما نحتاجه هو ألواح الطاقة الشمسية لتحويل الضوء إلى طاقة كهربائية تشغل معداتنا بدءاً من الآلة الحاسبة وحتى الأقمار الصناعية، فكيف تعمل ألواح الطاقة الشمسية؟

ألواح الطاقة الشمسية

هي ألواح بلورية من السيليكون، مكونة من مجموعة من الخلايا الشمسية، أو الخلايا الكهروضوئية المرتبة في نمط شبكيّ، ومثبتة على دعامة هيكلية. تقوم الخلايا بامتصاص أشعة الشمس وتحويلها إلى كهرباء أو حرارة، دون الحاجة لوقود أو لتفاعلات كيميائية. وعلى الرغم من تكاليف تركيبها المرتفعة، إلا أنها تتميز بالعمر المديد، حيث لا يتجاوز انخفاض فعالية أدائها في غضون عامٍ نسبة 1% فقط أو أقل. تخففّ ألواح الطاقة الشمسية من استخدام مصادر الطاقة الأخرى، ما ينتج عنه انبعاثاتٍ أقلّ من الغازات الدفيئة، فهي بذلك لا تقلّل من استهلاك الوقود الأحفوريّ وموارد الطاقة التقليدية الأخرى غير المتجددة حول العالم وحسب، بل تحافظ أيضاً على البيئة وتخففّ من آثار الاحتباس الحراري وتعكسها.

اليوم يمكننا أن نستخدمها في آلاتنا الحاسبة، أو في تطبيقات الاستشعار عن بعد ومعدات الاتصالات السلكية واللاسلكية، أو لإنارة منازلنا أو منشآتنا التجارية؛ مثل مقر جوجل في كاليفورنيا.

مكونات الخلية الضوئية

تأخذ الخلايا الضوئية شكل (الشطائر)، فهي تتألف من عدّة طبقاتٍ تكوّن مجالاً كهربائياً، وتتكون من نوعين من السيليكون:

السيليكون من النوع n سالب الشحنة، وهو السيليكون الذي يُضاف له الفوسفور لجعل السيليكون موصلاً؛ حيث تحتوي ذرة السيليكون على أربعة إلكترونات على المدار الخارجي، بينما يحتوي الفوسفور على خمس إلكترونات على المدار الخارجي، وبذلك ترتبط ذرة الفوسفور مع أربع ذرات للسيليكون بروابط مشتركة، ويبقى إلكترون واحد حرّ التحرك ضمن الشبكة البلورية ويمنح السيليكون شحنة سالبة.
السيليكون من النوع P موجب الشحنة، وهو النوع الذي يُضاف له عنصر البورون. تحتوي ذرة البورون على ثلاثة إلكترونات على المدار الخارجي، وعند ضخّه ضمن الشبكة البلورية للسيليكون، يرتبط مع ثلاث ذرات سيليكون بروابط تشاركية، فيتبقى شاغر واحد على ذرة سيليكون من الذرّات الأربعة المرتبطة بالبورون، يُسمى الشاغر بالثقب، ويمكنه استقبال الإلكترونات بسهولة، فيمنح السيليكون شحنة موجبة.

كيف تعمل الخلايا الكهروضوئية في ألواح الطاقة الشمسية؟

تصطّف طبقات الخلايا الكهروضوئية من النوعين P وn فوق بعضهما، حيث تحتوي الطبقة n على فائضٍ من الإلكترونات تتحرك نحو الطبقة P لملء ثقوبها أو فراغاتها الإلكترونية. عندما تمتلئ كافة الثقوب بالإلكترونات، تُشحن هذه الطبقة P بالشحنة السالبة، في حين تتحوّل الطبقة n إلى الشحنة الموجبة لفقدانها الإلكترونات السالبة. يخلق هذا التعاكس في وجود الأيونات المشحونة مجالاً كهربائيّاً داخليّاً يعيق انتقال إلكترونات الطبقة n إلى ثقوب الطبقة P في منطقة تلامس الطبقتين وتدعى بمنطقة النضوب.

عند تسليط ضوء الشمس على الخلية الكهروضوئية، تتحفّز إلكترونات السيليكون في المدارات الخارجية لتغادر مداراتها، مخلّفة وراءها ثقوباً إلكترونيةً (موجبة). في حال التوصيل بين طبقتي السيليكون بسلكٍ معدني ستنتقل الإلكترونات من طبقة السيليكون n إلى طبقة السيليكون P عبر منطقة النضوب بين الطبقتين، ثم تعود عبر السلك المعدني، ما يخلق تياراً كهربائياً.

اقرأ أيضاً: كيف تعمل الخلايا الشمسية؟

أنواع الألواح الشمسية

للألواح الشمسية ثلاثة أنواع تحدد تكاليف تركيبها وشكلها الخارجي، وهي :

الألواح الشمسية أحادية البلورة

تتكون من بلورة السيليكون النقية، لذا تتلوّن الألواح بلونٍ أسود داكن. تتميز بكفاءتها العالية وعمرها الطويل، إلا أنّ هذا يأتي مع تكلفة عالية لاستهلاك كمية كبيرة من السيليكون النقي في إنتاج خلية كهرضوئية واحدة.

الألواح الشمسية متعددة البلورات

وهي أقل تكلفة من سابقتها، لأنها كما يوحي اسمها، تتكون من بلورات سيليكون عديدة، يتمّ صهرها سويّا وصبّها في قوالب مربعة. لذا تحوي الألواح الشمسية متعددة البلورات على شوائب، ما يخفض من تكلفتها الكلية، ويُضعِف قدرتها على تحمّل درجات الحرارة العالية، فهي أقل فعالية في توليد الطاقة من سابقتها.

الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

يدخل في تصنيع هذا النوع من الألواح الشمسية مواد على شكل طبقة رقيقة، ومن هذه المواد المستخدمة:

الكادميوم تيلورايد (CdTe) يدخل بين الطبقات الموصلة ويساعد على التقاط الضوء.
طبقة زجاجية علوية رقيقة وواقية.
السيليكون غير المتبلور فوق طبقة من البلاستيك أو الزجاج أو المعدن.
طبقة نحاس إنديوم غاليوم سيليند (CIGS).

ختاماً، يمكن القول إن الخلايا الكهروضوئية في ألواح الطاقة الشمسية هي مستقبل الطاقة في العالم، لأن قوة الشمس التي لا تنضب متاحة للتجدد دوماً، لمنح الطاقة لكل أشكال الحياة على الأرض.