خلايا الفوتوفولتيك: تحويل الفوتون إلى الكترون
الخلايا الشمسية المستخدمة في الالات الحاسبة وفي الاقمار الصناعية هي عبارة عن
خلايا فوتوفولتيك 0001070186 5|ا08 وهي عبارة عن مجموعة من الخلايا
الكهربية موصلة مع بعضها البعض في اطار واحد على شكل لوحة وكلمة
فوتوفولتيك هو اسم مشتق من طبيعة عمل الخلية فكلمة فوتو 00010 تعني ضوء
وكلمة فولتيك 7011810 تعني كهرباء؛ وهذا يعني تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء
في البداية كانت خلايا الفوتوفولتيك تستخدم في الاقمار الصناعية ومحطات الفضاء
للحصول على الكهرباء من اشعة الشمس مباشرة والان بدأت تدخل في العديد
الأجهزة الالكترونية وفي السيارات قريباا سوف نستخدمها كمصدر للطاقة الكهربية
تصنع خلية الفوتوفولتيك من المواد اشباه الموصلات 560710000001075 مثل
السيلكون وكل خلية فوتوفولتيك مكونة من بلورة واحدة من السيلكون وتشكل

ان طاقة الضوء قد امتصت من قبل مادة الخلية تعمل هذه الطاقة على اثارة
الالكترونات الغير مرتبطة في المادة وتجعلها تتحرك بحرية داخل المادة وعندما
تتعرض هذه الالكترونات الحرة لمجال كهربي فإنها سوف تتحرك كلها في اتجاه
واحد وهذا يعني تيار كهربي وعند ربط طرفي خلية الفوتوفولتيك بنقطتي توصيل
على السطح العلوي والسطح السفلي للخلية نحصل على تيار كهربي طالما استمر
هذا الشرح المبسط في الحقيقة يخفي تفاصيل اكثر واعمق ولكن كان بهدف اعلامك
عزيزي القارئ المبدأ الرئيسي لفكرة عمل الخلية الشمسية؛ والان سوف نقوم بتفصيل
الموضوع اكثر من خلال تكبير خلية الفوتوفولتيك والتي هي كما ذكرنا خلية من
بلورة واحدة من السليكون
كيف يعمل السيلكون كخلية شمسية
يمتلك السيلكون بعض الخواص الكيميائية في تركيبه البلوري ‏ فذرة السيليكون
والثاني الاقرب _للنواة يكونان ممتلأن تماماً بالالكترونات والمستوى الثالث أو
الاخر فارغ حيث ان المدار يكتمل ب 8 الكترونات وتسعى ذرة السيليكون لان

تكمل النقص في عدد الالكترونات في المستوى الخارجي ولتفعل ذلك فإنها تشارك
البعض في شكل تركيب بلوري وهذا التركيب البلوري له فائدة كبيرة في خلية
ذرات السليكون مرتبطة مع بعضها البعض مشكلة تركيب بلوري منتظم لا يوجد
لقد قمنا بوصف بلورة سيلكون نقية وللعلم بلورة السليكون النقية لا توصل التيار
الكهربي بكفاءة لأنه لا يوجد الكترونات حرة لتنقل التيار الكهربي حيث ان كل
الالكترونات قد قيدت في التركيب البلوري ولهذا ولكي يتم استخدام السليكون 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
غير مرغوب فيها وسوف نكتشف ذلك من خلال الشرح
يتم اضافة (تطعيم) ذرات الفوسفور بنسبة بسيطة جدآ تصل إلى 1:1,000,000
وذرة الفسفور تحتوي على 5 الكترونات في مدارها الخارجي ولهذا عندما تدخل
الشبكة البلورية بين ذرات السليكون ستشارك ب 4 الكترونات ويبقى الكّترون حر

تطعيم ذرات السيليكون بذرات فوسفور
الان تتضح فكرة عمل الشوائب في ذرات السليكون فلو تم تزويد السليكون النقي
شاغر نسميه فجوة 0016 تعمل هذه الفجوة على السماح لإلكترون في الجوار
بالانتقال اليها تارك فجوة اخرى وهكذا تستمر حركة الالكترونات في اتجاه وحركة
الفجوات في الاتجاه المعاكس وهذه الحركة هي تيار كهربي ولكن في حالة ذرات
السليكون المطعمة بذرات الفسفور يصبح الامر مختلف من ناحية ان الطاقة اللازمة
لبد تحريك الالكترونات اقل بكثير من حالة السليكون النقي وتسمى اشباه
الموصلات التي تطعم بذرات تحتوي على الكترونات اضافية بالنوع 8م/17-ل] اي
النوع السالب لأنه اضاف الكترون للتركيب البلوري للذرات ولهذا يعتبر السيلكون
المطعم بالفسفور موصل افضل من السيلكون النقي
اقل من الالكترونات وتسمى المواد الناتجة عن هذا التطعيم بالنوع 7-1708 اي
النوع الموجب

وفي الحقيقة الخلية الشمسية تحتوي على كلا النوعين النوع الموجب والنوع
السالب والامر الاهم هو ما يحدث عن توصيل النوعين معا حيث تنتقل
الالكترونات الحرة في النوع السالب إلى الفجوات في النوع الموجب
تذكر ان الالكترونات المتحررة من الخلية الفوتوفولتيك تحتاج الى مجال كهربي
تركيب الخلية الشمسية
عملية الانتقال هذه إلى ان تتحد كل الالكترونات مع كل الفجوات وتتوقف العملية لان
ما يحدث هو ان بعد ان تنتقل المجموعة الأولى من الالكترونات وتتحد مع الفجوات
يشكل حاجز عند المنطقة التي تصل النوع الموجب عن النوع السالب ويمنع هذا
الحاجز المزيد من الالكترونات الاخرى في النوع السالب الاتحاد مع فجوات في
النوع الموجب ويتكون عن المنطقة بين النوعين مجال كهربي
ا ا لين
المجال الكهربي المتولد في كل خلية فوتوفولتيك
هذا المجال الكهربي يعمل عمل الديود 006 حيث يسمح بمرور الالكترونات من
الجزء الموجب إلى الجزء السالب ولكن ليس العكس وبهذا يكون لدينا في كل خلية
فوتوفولتيك مجال كهربي يحدد اتجاه حركة الالكترونات

عندما يسقط الضوء المكون من فوتونات عند طاقة معينة على الخلية الفوتوفولتيك
فإنه يعمل على تحرير الكترون وفجوة بالقرب من الحاجز حيث المجال الكهربي 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 طرف والنوع الموجب طرف) بدائرة خارجية فإن هذه الالكترونات
سوف تتحرك لتعود إلى موضعها الاصلي وكذلك الفجوات وهذه الحركة هي التيار
فكرة عمل الخلية فوتوفولتيك عند سقوط فوتون الضوء على الخلية تتحرر
الكترونات وفجوات تنتقل الإلكترونات تحت تأثير قوة المجال الكهربي في الخلية
إلى الجزء السالب وتنتقل الفجوات إلى الجزء الموجب ولكن تعود مرة أخرى الى
ملاحظة: يتم طلي الخلية الشمسية بمواد تمنع انعكاس الفوتونات الضوئية عند
ان يحدث
يتم توضع طبقة رقيقة جدآا على سطح شريحة السليكون لتمنع انعكاس الضوء وبعدها

فوتوفولتيك على التوالي والتوازي لنحصل على مستوى فرق الجهد والتيار الكهربي
المطلوب وتوضع هذه الخلايا في اطار من الزجاج لحمايته مع وضع نقطتي توصيل
موجبة على السطح الامامي وسالبة على السطح الخلفي
تركيب خلية شمسية من خلايا الفوتوفولتيك
من تجميع و تنسيق محرم عبد الكريم