كيف تعمل الخلايا الشمسية؟

لا يوجد سوى نقطتي نهاية محتملتين لإنتاج الطاقة البشرية ، وكلاهما اندماج. إما أن نجد طريقة لإنشاء تفاعلات اندماج صغيرة يتم التحكم فيها هنا على الأرض (طاقة الاندماج) أو نجد طريقة مفيدة لجمع جزء كبير من الطاقة التي يتم إطلاقها بالفعل من مفاعل الاندماج الهائل الذي بناه نظامنا الشمسي مباشرة (الطاقة الشمسية) قوة). الشيء الجميل في الخيار الشمسي هو أنه يمكن أن يحدث بشكل تدريجي ، مما يمنحنا فائدة جزئية بينما نقترب شيئًا من نقطة التحول ، عندما يمكن أن توفر غالبية احتياجاتنا الكهربائية. لكن ما هي الخلية الشمسية ، المكون الأساسي للطاقة الشمسية ، وكيف تعمل؟

تُعرف الخلية الشمسية ، والتي تسمى أيضًا الخلية الكهروضوئية ، على أنها أي جهاز يمكنه التقاط بعض طاقة فوتون من الضوء ، وتمرير هذه الطاقة إلى جهاز أو وسيط تخزين على شكل كهرباء. ليست كل الطاقة الشمسية من الخلايا الكهروضوئية بطبيعتها ، حيث أن بعض التقنيات الشمسية تجمع حرارة الفوتونات الممتصة ، بدلاً من طاقتها ، مباشرة. ومع ذلك ، مع هذا التعريف العام ، فإن مصطلح الخلايا الكهروضوئية يشمل مجموعة واسعة من التقنيات المختلفة.



تصنيع الألواح الشمسية

الناس في بذلات الأرانب يصنعون الألواح الشمسية.



كلهم يشتركون في شيء واحد: يستخدمون طاقة الفوتون لإثارة الإلكترونات في المادة شبه الموصلة للخلية من مستوى الطاقة غير الموصلة إلى المستوى الموصّل. ما يجعل هذا المركب هو أنه ليست كل الفوتونات متماثلة. يصل الضوء على شكل اندماج غير مفيد للأطوال الموجية ومستويات الطاقة ، ولا توجد مادة واحدة شبه موصلة قادرة على امتصاصها جميعًا بشكل صحيح. هذا يعني أنه لزيادة كفاءة التقاط الإشعاع الشمسي ، يتعين علينا صنع خلايا هجينة ('متعددة الوصلات') تستخدم أكثر من مادة ماصة.

كل مادة شبه موصلة لها 'فجوة نطاق' مميزة أو طيف من طاقات الإلكترون لا تستطيع المادة ببساطة تحملها. تكمن هذه الفجوة بين حالة الإلكترون المثارة وغير المثارة. لا يمكن تحفيز الإلكترون في حالته السكونية إلى الفائدة ما لم يتلق طاقة زائدة كافية للقفز مباشرة فوق فجوة النطاق هذه. يحتوي السيليكون على فجوة نطاق لطيفة وقابلة للتحقيق ، يمكن سدها بواسطة فوتون واحد من الطاقة الإضافية. هذا يسمح للسيليكون أن يكون جيدًا إما في (موصل) أو متوقف (لا) ، كما هو محدد في موضع إلكتروناته الموصلة المحتملة.



يمكن أن تكون مادة مثل الجرافين ، من ناحية ، أساسًا أفضل بكثير لخلية كهروضوئية من السيليكون نظرًا لكفاءتها الكهربائية المذهلة وإمكانية حشوها بكثافة أكبر على الألواح نفسها - المشكلة الكبيرة تعود إلى فجوة النطاق ، وعدم قدرة الجرافين على الإثارة بشكل صحيح بقوة الفوتون الوارد. بعض أجهزة الجرافين المعقدة مثل ترانزستورات الجرافين ثنائية الطبقة ثنائية البوابة - لكن مشاكل تصنيع مثل هذه الأجهزة تعوض المكاسب المحتملة ، على الأقل في الوقت الحالي.

SPS ALPHA ، مفهوم محطة الطاقة الشمسية الفضائية

من الأسهل بكثير تجميع الطاقة الشمسية في الفضاء - ولكن بعد ذلك يتعين عليك في الواقع نقلها إلى السطح.

سيتعين على التقدم الحقيقي انتظار العثور على مادة فائقة بأسعار معقولة يمكن أن توفر فجوة نطاق مفيدة مع التغلب أيضًا على الخصائص الميكانيكية والإلكترونية للسيليكون بهامش عادل. حتى ذلك الحين ، تمكنت الحلول المؤقتة من زيادة القدرات الوظيفية للوحات القائمة على السيليكون بشكل كبير.



تزيد الطلاءات المضادة للانعكاس من كمية الضوء الممتصة بشكل عام ، في حين أن 'المنشطات' الكيميائية للترانزستورات نفسها يمكن أن تحسن القدرات البصرية للسيليكون. تستخدم بعض تركيبات الطاقة الشمسية حقول المرايا لتركيز أكبر قدر ممكن من الإشعاع الشمسي على عدد قليل من الخلايا عالية السعة في المركز. تم تصميم العديد منها الآن كأجهزة لالتقاط الضوء ، لذا فإن الضوء الذي يدخل يرتد داخليًا ، إلى الأبد ، حتى يتم امتصاصه بالكامل في النهاية. في الخريف الماضي ، طور باحثون في جامعة ميشيغان ملف خلية شمسية شفافة بالكامل.

قد تكون الحرارة أيضًا جزءًا مهمًا بشكل متزايد من منصات الطاقة الشمسية ، نظرًا لأن أي إشعاع لا يتم امتصاصه إلكترونيًا سيتم امتصاصه جزئيًا على الأقل كحرارة خام. إن استخدام هذه الحرارة لغلي الماء ، أو حتى لتدفئة المنازل مباشرة ، يمكن أن يساعد الطاقة الشمسية المدنية على تحسين الكفاءة الكلية حتى أثناء استمرار المواد الكهربائية الفائقة في اللحاق بالركب.

المزيد من المفاهيم الخارجية ، مثل الطاقة الشمسية الفضائية ، تقدم بعض الإمكانات من خلال التقاط الضوء قبل ترشيحه عبر الغلاف الجوي للأرض ؛ على سبيل المثال ، تريد اليابان توليد جيجاوات من الطاقة الشمسية في الفضاء. تكمن المشكلة في إيصال الطاقة إلى السطح ، حيث يمكن أن تكون مفيدة للبشر. تتطلع المبادرة اليابانية إلى استخدام الليزر لهذا الغرض ، ولكن ليس هناك ما يدل على ما إذا كان تجاوز الغلاف الجوي سيثبت أنه استراتيجية ناجحة بشكل عام.

لقد أعاقت الخلايا الشمسية عدة عقود من العناوين الرئيسية المبكرة التي أعلنت عن مثل هذه الإستراتيجية الشاملة الرابحة والهيمنة القادمة للطاقة الشمسية. الحقيقة هي أنه من شبه المؤكد أنه لن تكون هناك أي لحظة من هذا القبيل في الهندسة. سيتم تعديل تكنولوجيا الخلايا الشمسية وتحديثها حتى تتجاوز بعض العتبة المجردة على أساس القدرة على تحمل التكاليف ، وحالة تخزين الطاقة وتقنية النقل ، والمستوى السنوي المحلي لضوء الشمس.

ستكون جميع أنواع الطاقة الشمسية مهمة لأي محاولة حقيقية لنشر الطاقة الخضراء على نطاق وطني. ما لم يحدث الاندماج قفزات هائلة إلى الأمام ، أو أصبحت الطاقة النووية الكلاسيكية أكثر شيوعًا ، يمكنك المراهنة على أن الطاقة الشمسية ستكون جزءًا كبيرًا من مستقبل الطاقة لدينا.

تحقق من سلسلة 2007es.com Explains الخاصة بنا لمزيد من التغطية المتعمقة.

Copyright © كل الحقوق محفوظة | 2007es.com