حياة

كيف تعمل الخلية الضوئية

كيف تعمل الخلية الضوئية


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

"التأثير الكهروضوئي" هو العملية الفيزيائية الأساسية التي من خلالها تقوم الخلايا الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. يتكون ضوء الشمس من الفوتونات ، أو جزيئات الطاقة الشمسية. تحتوي هذه الفوتونات على كميات مختلفة من الطاقة تقابل أطوال موجية مختلفة من الطيف الشمسي.

كيف تعمل الخلية الضوئية

كيف تعمل الخلية الضوئية.

عندما تضرب الفوتونات خلية كهروضوئية ، قد تنعكس أو تمتص ، أو قد تمر عبرها مباشرة. فقط الفوتونات الممتصة تولد الكهرباء. عندما يحدث هذا ، يتم نقل طاقة الفوتون إلى إلكترون في ذرة الخلية (والذي هو في الواقع أشباه الموصلات).

بفضل طاقتها المكتشفة حديثًا ، يتمكن الإلكترون من الهروب من وضعه الطبيعي المرتبط بتلك الذرة ليصبح جزءًا من التيار في دائرة كهربائية. من خلال ترك هذا الموقف ، يتسبب الإلكترون في تكوين "ثقب". توفر الخواص الكهربائية الخاصة للخلية الكهروضوئية - الحقل الكهربائي المدمج - الجهد اللازم لدفع التيار من خلال حمل خارجي (مثل المصباح الكهربائي).

أنواع P ، وأنواع N ، والحقل الكهربائي

أنواع p وأنواع n والحقل الكهربائي. بإذن من وزارة الطاقة

للحث على المجال الكهربائي داخل خلية كهروضوئية ، يتم دمج اثنين من أشباه الموصلات المنفصلة معًا. تتوافق أنواع "p" و "n" من أشباه الموصلات مع "موجب" و "سلبي" بسبب وفرة الثقوب أو الإلكترونات (تصنع الإلكترونات الإضافية نوع "n" لأن الإلكترون له شحنة سالبة فعليًا).

على الرغم من أن كلتا المادتين محايدتان كهربائياً ، إلا أن السيليكون من النوع n يحتوي على إلكترونات زائدة والسيليكون من النوع p له ثقوب زائدة. تؤدي عملية الربط هذه معًا إلى إنشاء p / n عند الوصل ، مما يؤدي إلى إنشاء مجال كهربائي.

عندما يتم دمج أشباه الموصلات p-type و n-type معًا ، تتدفق الإلكترونات الزائدة في المادة من النوع n إلى النوع p ، وتتدفق الثقوب التي يتم إخلاؤها أثناء هذه العملية إلى النوع n. (يشبه مفهوم تحريك الثقب إلى حد ما النظر إلى فقاعة في سائل. على الرغم من أنه سائل يتحرك فعليًا ، فمن الأسهل وصف حركة الفقاعة أثناء تحركها في الاتجاه المعاكس.) من خلال هذا الإلكترون والثقب التدفق ، يعمل أشباه الموصلات كبطارية ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا على السطح الذي يلتقيان فيه (المعروف باسم "الوصلة"). هذا الحقل هو الذي يجعل الإلكترونات تقفز من أشباه الموصلات إلى السطح وتتيحها للدائرة الكهربائية. في الوقت نفسه ، تتحرك الثقوب في الاتجاه المعاكس ، نحو السطح الموجب ، حيث تنتظر الإلكترونات الواردة.

الاستيعاب والتوصيل

الاستيعاب والتوصيل.

في خلية PV ، يتم امتصاص الفوتونات في الطبقة p. من المهم للغاية "ضبط" هذه الطبقة لخصائص الفوتونات الواردة لاستيعاب أكبر عدد ممكن وبالتالي تحرير أكبر عدد ممكن من الإلكترونات. التحدي الآخر هو منع الإلكترونات من الالتقاء بالثقوب و "إعادة الدمج" معها قبل أن يتمكنوا من الهروب من الخلية.

للقيام بذلك ، نقوم بتصميم المواد بحيث يتم تحرير الإلكترونات بالقرب من التقاطع قدر الإمكان ، بحيث يمكن للحقل الكهربائي أن يساعد في إرسالها عبر طبقة "التوصيل" (الطبقة n) والخروج في الدائرة الكهربائية. من خلال تعظيم كل هذه الخصائص ، نقوم بتحسين كفاءة التحويل * للخلايا الكهروضوئية.

لإنشاء خلية شمسية فعالة ، نحاول تعظيم الامتصاص وتقليل الانعكاس وإعادة التركيب ، وبالتالي زيادة التوصيل.

متابعة> صنع مواد N و P

صنع المواد N و P لخلية الخلايا الضوئية

يحتوي السيليكون على 14 إلكترونًا. مقدمة - كيف تعمل الخلية الضوئية

تتمثل الطريقة الأكثر شيوعًا لصنع مادة السيليكون من النوع p أو n في إضافة عنصر يحتوي على إلكترون إضافي أو يفتقر إلى الإلكترون. في السيليكون ، نستخدم عملية تسمى "المنشطات".

سوف نستخدم السيليكون كمثال لأن السيليكون البلوري كان مادة أشباه الموصلات المستخدمة في أقرب الأجهزة الكهروضوئية الناجحة ، وما زالت المادة الكهروضوئية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع ، وعلى الرغم من أن المواد والتصميمات الكهروضوئية الأخرى تستغل تأثير الكهروضوئية بطرق مختلفة قليلاً ، ومعرفة كيف يعمل التأثير في السيليكون البلوري يعطينا فهمًا أساسيًا لكيفية عمله في جميع الأجهزة

كما هو موضح في هذا المخطط المبسط أعلاه ، يحتوي السيليكون على 14 إلكترونًا. يتم إعطاء الإلكترونات الأربعة التي تدور حول النواة في مستوى الطاقة الأبعد أو "التكافؤ" إلى ذرات أخرى أو قبولها منها أو مشاركتها معها.

وصف ذري للسيليكون

كل المادة تتكون من ذرات. تتألف الذرات بدورها من بروتونات موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة ونيوترونات محايدة. تشتمل البروتونات والنيوترونات ، التي لها نفس الحجم تقريبًا ، على "النواة" المركزية المعبأة بالذرة للذرة ، حيث توجد كتلة الذرة تقريبًا. تدور الإلكترونات الأخف وزنا حول النواة بسرعات عالية جدا. على الرغم من أن الذرة مبنية من جزيئات مشحونة معاكسة ، إلا أن شحنتها الإجمالية محايدة لأنها تحتوي على عدد متساوٍ من البروتونات الموجبة والإلكترونات السلبية.

وصف ذري للسيليكون - جزيء السيليكون

جزيء السيليكون.

تدور الإلكترونات حول النواة على مسافات مختلفة ، وهذا يتوقف على مستوى طاقتها ؛ إلكترون مع مدارات طاقة أقل قريبة من النواة ، في حين أن واحدة من أكبر مدارات الطاقة أبعد من ذلك. تتفاعل الإلكترونات البعيدة عن النواة مع تلك الموجودة في الذرات المجاورة لتحديد طريقة تكوين الهياكل الصلبة.

تحتوي ذرة السيليكون على 14 إلكترونًا ، لكن ترتيبها المداري الطبيعي يسمح فقط بإعطاء أو قبول أو تبادل الذرات الأربعة الأخرى من هذه الذرات. تلعب هذه الإلكترونات الأربعة الخارجية ، التي تسمى إلكترونات التكافؤ ، دورًا مهمًا في التأثير الكهروضوئي.

يمكن أن تترابط أعداد كبيرة من ذرات السيليكون ، من خلال إلكترونات التكافؤ ، معًا لتكوين بلورة. في مادة صلبة بلورية ، تشترك كل ذرة من السليكون عادةً بواحدة من إلكترونات التكافؤ الأربعة في رابطة "تساهمية" مع كل من ذرات السيليكون الأربعة المجاورة. تتكون المادة الصلبة ، إذن ، من وحدات أساسية من خمس ذرات من السيليكون: الذرة الأصلية بالإضافة إلى الذرات الأربع الأخرى التي تشترك معها في إلكترونات التكافؤ. في الوحدة الأساسية من مادة السيليكون البلورية الصلبة ، تتقاسم ذرة السيليكون كل من إلكترونات التكافؤ الأربعة مع كل من الذرات الأربع المجاورة.

يتكون بلورة السيليكون الصلب من سلسلة منتظمة من الوحدات المكونة من خمس ذرات من السيليكون. يُعرف هذا الترتيب الثابت الثابت لذرات السيليكون باسم "الشبكة البلورية".

الفوسفور كمادة أشباه الموصلات

الفوسفور كمادة أشباه الموصلات.

تقدم عملية "المنشطات" ذرة عنصر آخر في بلورة السيليكون لتغيير خواصها الكهربائية. يحتوي المنشط إما على ثلاثة أو خمسة إلكترونات تكافؤ ، على عكس أربعة من السيليكون.

تستخدم ذرات الفسفور ، التي تحتوي على خمسة إلكترونات التكافؤ ، في تعاطي المنشطات من السيليكون من النوع n (لأن الفوسفور يوفر الإلكترون الخامس والحر ،).

تحتل ذرة الفسفور نفس المكان في الشبكة البلورية التي كانت تحتلها سابقًا ذرة السيليكون التي استبدلت بها. تتولى أربعة من إلكترونات التكافؤ مسؤوليات الترابط لإلكترونات التكافؤ السيليكون الأربعة التي استبدلت بها. لكن الإلكترون الخامس التكافؤ لا يزال حرا ، دون مسؤوليات الترابط. عندما يتم استبدال العديد من ذرات الفسفور للسيليكون في البلورة ، تصبح العديد من الإلكترونات الحرة متاحة.

استبدال ذرة الفسفور (مع خمسة إلكترونات التكافؤ) لذرة السيليكون في بلورة السيليكون يترك إلكترون إضافي ، غير محجر ، وهو حر نسبيا للتنقل حول البلورة.

تتمثل أكثر طرق المنشطات شيوعًا في تغطية طبقة من السيليكون بالفسفور ثم تسخين السطح. هذا يسمح لذرات الفسفور بالانتشار في السيليكون. ثم يتم خفض درجة الحرارة بحيث ينخفض ​​معدل الانتشار إلى الصفر. تشتمل الطرق الأخرى لإدخال الفوسفور في السيليكون على الانتشار الغازي وعملية رش بخاخ سائل وتقنية يتم فيها تحريك أيونات الفوسفور في سطح السيليكون بالتحديد.

البورون كمادة أشباه الموصلات

البورون كمادة أشباه الموصلات.

بالطبع ، لا يمكن للسيليكون من النوع n تكوين المجال الكهربائي بمفرده ؛ من الضروري أيضًا تغيير بعض السيليكون ليكون له خصائص كهربائية معاكسة. لذلك ، يستخدم البورون ، الذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات التكافؤ ، لتخدير السيليكون من النوع p. يتم تقديم البورون أثناء معالجة السيليكون ، حيث يتم تنقية السيليكون للاستخدام في الأجهزة الكهروضوئية. عندما تتولى ذرة البورون موقعًا في الشبكة البلورية التي كانت تشغلها ذرة السيليكون سابقًا ، يوجد رابط مفقود للإلكترون (وبعبارة أخرى ، ثقب إضافي).

استبدال ذرة البورون (مع ثلاثة إلكترونات التكافؤ) لذرة السيليكون في بلورة السيليكون يترك ثقب (رابط مفقود إلكترون) وهو حر نسبيا في التحرك حول البلورة.

مواد أشباه الموصلات الأخرى

تحتوي خلايا الأغشية الرقيقة الكريستالية على بنية غير متجانسة ، حيث تتكون الطبقة العليا من مادة شبه موصلة مختلفة عن طبقة أشباه الموصلات السفلية.

مثل السيليكون ، يجب تحويل جميع المواد الكهروضوئية إلى تكوينات من النوع p و n لإنشاء الحقل الكهربائي اللازم الذي يميز خلية PV. ولكن يتم ذلك بعدد من الطرق المختلفة ، اعتمادًا على خصائص المادة. على سبيل المثال ، الهيكل الفريد للسيليكون غير المتبلور يجعل الطبقة الداخلية (أو الطبقة الأولى) ضرورية. تتلاءم هذه الطبقة غير المعبدة من السيليكون غير المتبلور بين طبقات n-type و p-type لتشكيل ما يسمى بالتصميم "p-i-n".

الأفلام الرقيقة الكريستالية مثل diselenide النحاس الإنديوم (CuInSe2) والكادميوم تيلورايد (CdTe) تظهر واعدة كبيرة للخلايا الكهروضوئية. لكن هذه المواد لا يمكن أن تُخدّر ببساطة لتشكيل طبقات n و p. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام طبقات من مواد مختلفة لتشكيل هذه الطبقات. على سبيل المثال ، يتم استخدام طبقة "نافذة" من كبريتيد الكادميوم أو مادة مماثلة لتوفير الإلكترونات الإضافية اللازمة لجعله n- نوع. يمكن تصنيع CuInSe2 بحد ذاته من النوع p ، في حين تستفيد CdTe من طبقة من النوع p مصنوعة من مادة مثل تلوريد الزنك (ZnTe).

يتم تعديل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) بشكل مشابه ، عادة باستخدام الإنديوم أو الفوسفور أو الألومنيوم لإنتاج مجموعة واسعة من المواد من النوع n و p.

تحويل كفاءة الخلايا الكهروضوئية

* كفاءة تحويل الخلايا الكهروضوئية هي نسبة طاقة ضوء الشمس التي تحولها الخلية إلى طاقة كهربائية. هذا مهم للغاية عند مناقشة الأجهزة الكهروضوئية ، لأن تحسين هذه الكفاءة أمر حيوي لجعل الطاقة الكهروضوئية قادرة على المنافسة مع مصادر أكثر تقليدية للطاقة (مثل الوقود الأحفوري). بطبيعة الحال ، إذا تمكنت إحدى الألواح الشمسية الفعالة من توفير قدر الطاقة الذي توفره لوحتان أقل كفاءة ، فسيتم تخفيض تكلفة هذه الطاقة (ناهيك عن المساحة المطلوبة). للمقارنة ، حولت الأجهزة الكهروضوئية الأقدم حوالي 1٪ -2٪ من طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. تعمل الأجهزة الكهروضوئية الحالية على تحويل 7٪ إلى 17٪ من الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. بالطبع ، الجانب الآخر من المعادلة هو الأموال التي تكلفها لتصنيع الأجهزة الكهروضوئية. وقد تم تحسين هذا على مر السنين. في الواقع ، تنتج الأنظمة الكهروضوئية الحالية الكهرباء بنسبة ضئيلة من تكلفة الأنظمة الكهروضوئية المبكرة.


شاهد الفيديو: الخليه الضوئية شرح مبسط وكافي (قد 2022).