الخلايا الشمسية “PhotoVoltaic cells“هي خلايا يتم منخلالها تحويل أشعة الشمس مباشرة لكهرباء ، عن طريق استخدام تقنية الحالة الصلبة “ solid-state technology “التي تستخدم فيها خلايا مصنوعة من مواد خاصةتسمى أشباه موصلات “Semiconductors“أساسها مادةالسليكون .

عامة تكون الموادالمكونةلهذة الخلايا إما مادة بللورية سميكة كالسيليكونالبللوري“Crystalline Silicon” أو مادة غير بللورية رقيقة كمادة السيلكون اللابللوري“Amorphous Silicon a-Si“,تعتبر طاقة الخلايا الضوئية شكلا منالطاقة المتجددة والنظيفة , لأنه لايسفر عن تشغيلها نفايات ملوثة ولا ضوضاء ولاإشعاعات ولا حتي تحتاج لوقود غير اشعة الشمس . لكن كلفتهاالابتدائية مرتفعة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرىكما انها تولد كهرباءمستمرة (كما هو الحال في البطاريات السائلة والجافة العادية).

كيف يعمل السيلكون كخلية شمسية

يمتلك السيلكون عض الخواص الكيميائية في تركيبه البلوري.  فذرة السيليكون تحتوي على 14 الكترون موزعة على ثلاث مستويات طاقة.  مستويين الطاقة الاول والثاني الاقرب للنواة يكونان ممتلأن تماماً بالالكترونات والمستوى الثالث أو المستوى الخارجي يحتوي على 4 الكتورنات فقط اي يكون نصفه ممتلئ والنصف الاخر فارغ حيث ان المدار يكتمل بـ 8 الكترونات.  وتسعى ذرة السيليكون لان تكمل النقص في عدد الالكترونات في المستوى الخارجي ولتفعل ذلك فإنها تشارك اربع الكترونات من ذرات سيليكون مجاورة وبهذا ترتبط ذرات السيليكون بعضها البعض في شكل تركيب بلوري وهذا التركيب البلوري له فائدة كبيرة في الخلية الشمسية .

ان بلورة السيليكون النقية لا توصل التيار الكهربائي بكفاءة لانه لا يوجد الكترونات حرة لتنقل التيار الكهربائي حيث ان كل الالكترونات قد قيدت في التركيب البلوري. ولهذا ولكي يتم استخدام السيليكون في الخلية الشمسية فإننا بحاجة إلى إجراء تعديل بسيط في التركيب البلوري.

التعديل البسيط هذا هو عبارة عن اضافة ذرات عناصر اخرى (تسمى عملية تطعيم او اشابة“doping“) وهذه الذرات الاضافية نسميها شوائب“impurities“ وهي ضرورية لعمل الخلية الشمسية.

يتم اضافة ذرات الفوسفور بنسبة بسيطة جداً تصل إلى 1:1,000,000 وذرة الفوسفور تحتوي على 5 الكترونات في مدارها الخارجي ولهذا عندما تدخل الشبكة البلورية بين ذرات السيليكون ستشارك بـ 4 الكترونات ويبقى الكترون حر.

وعندما يتم تزويد السليكون النقي بالطاقة ولتكن طاقة حرارية مثلاً فان بعض الالكترونات تتحرر وتترك مكانها شاغر نسميه فجوةاو ثقب “hole“. يعمل هذا الثقب على السماح للالكترون في الجوار بالانتقال اليها تاركاً فجوة اخرى وهكذا تستمر حركة الالكترونات في اتجاه وحركة الفجوات في الاتجاه المعاكس وهذه الحركة هي تيار كهربائي.  ولكن في حالة ذرات السليكون المطعمة بذرات الفوسفور يصبح الامر مختلف من ناحية ان الطاقة اللازمة لبدأ تحريك الالكترونات اقل بكثير من حالة السليكون النقي.  وتسمى اشباه الموصلات التي تطعم بذرات تحتوي على الكترونات اضافية بالنوع “N-type“ اي النوع السالب لانه اضاف الكترون سالب للتركيب البلوري للذرات.  ولهذا يعتبر السيليكون المطعم بالفوسفور موصل افضل من السيليكون النقي.

كما هو الحال عند تطعيم الخلايا الشمسية بذرات توفر الكترونات اضافية هناك نوع اخر من التطعيم حيث تزود الخلايا بذرات لها عدد اقل من الالكترونات وتسمى المواد الناتجة عن هذا التطعيم بالنوع“P-type“اي النوع الموجب.

وفي الحقيقة العملية ان الخلية الشمسية تحتوي على كلا النوعين النوع الموجب والنوع السالب.  والامر الاهم هو ما يحدث عن توصيل النوعين معاً حيث تنتقل الالكترونات الحرة في النوع السالب إلى الفجوات في النوع الموجب.

تنتقل الالكترونات في الخلية الشمسية الى الفجوات وتتحد معها ,حيث تستمر هذه العملية إلى ان تتحد كل الالكترونات مع كل الفجوات ثم تتوقفعملية الانتقال لانه يتشكل لدينا حاجز(حقل كهربائي)عند منطقة الوصل مما يمنع الالكترونات من الحركة.

هذا المجال الكهربائي يعمل عمل الثنائياو الديود “diode“حيث يسمح بمرور الالكترونات من الجزء الموجب إلى الجزء السالب ولكن ليس العكس.  وبهذا يكون لدينا في كل خلية شمسية مجال كهربائي يحدد اتجاه حركة الالكترونات.

عندما يسقط الضوء المكون من فوتونات على الخلية الشمسية فإنه يعمل على تحرير الكترون وفجوة بالقرب من الحاجز حيث المجال الكهربائي فيتم تمرير هذا الالكترون في اتجاه الجزء السالب تحت تأثير المجال في حين تنتقل الفجوة إلى الجزء الموجب تحت تأثير المجال. وعندما يتم توصيل طرفي الخلية (النوع السالب والنوع الموجب) بدارة خارجية فإن هذه الالكترونات سوف تتحرك لتعود إلى موضعها الاصلي وكذلك الفجوات وهذه الحركة هي التيار الكهربائي الذي نريده.

ويتم طلي الخلية الشمسية بمواد تمنع انعكاس الفوتونات الشمسية عند سقوطها على الخلية حيث ان السليكون يشكل طبقة لامعة تعكس الضوء وهذا ما لا نريده ان يحدث. فيتم وضع طبقة رقيقة جداً على سطح شرائح السليكون لتمنع انعكاس الضوء وبعدها يتم وضع شريحة زجاجية لحماية الخلية.  وعمليا يتم ربط ما يقارب 36 خلية الشمسية على التوالي والتوازي لنحصل على فرق الجهد والتيار الكهربائي المطلوب .توضع هذه الخلايا في اطار من الزجاج لحمايته مع وضع نقطتي توصيل موجبة على السطح الامامي وسالبة على السطح الخلفي.