مجموعة من الخلايا الشمسية بتقنية الصبغات العضوية
تقنية جديدة تستخدم لصناعة الخلايا الشمسية تعرف باسم dye-sensitized solar cell أي الخلايا الشمسية المصنعة باستخدام الصبغات العضوية والتي تعرف بالاختصار DSSC هي تقنية جديدة تندرج تحت التقنيات المستقبلية لصناعة الخلايا الشمسية بتكلفة قليلة. وتصنع الخلايا من مادة شبه موصلة بين أنود ضوئي والكترولايت (electrolyte ) وهو عبارة عن مادة تحتوي على ايونات تجعل من المادة موصلة للكهرباء. وابتكر هذه التقنية العالمين Michael Grätzel و O'Regan في العام 1991 وتعرف أيضا هذه الخلايا باسم العالم Grätzel أي نطلق عليها خلايا جرازيل Grätzel cells
تعتبر خلية جرازيل مهمة جدا لأنها تصنع من مواد غير مكلفة ولا تتطلب أجهزة معقدة لتصنيعها. وعندما تنتج بشكل كبير يجب أن تكون اقل تكلفة من الخلايا الشمسية المصنعة بالمواد الصلبة. ويمكن أن تصنع في صورة ألواح مرنة وذات قوة ميكانيكية عالية.
وبالرغم من أن كفاءة التحويل conversion efficiency (كفاءة تحويل أشعة الشمس إلى تيار كهربي) اقل من خلايا الأغشية الرقيقة الشمسية إلا أن النسبة بين التكلفة على الأداء تعتبر كبيرة بما فيه الكفاية لتنافس في مجال الطاقة الكهربية المتولدة عن الوقود البترولي. الكثير من التطبيقات التجارية المعتمدة على الخلايا الشمسية الصبغية متوقفة نتيجة لمشاكل متعلقة بالاستقرار الكيميائي لها إلا أن جهود عملية مضنية بذلت للتغلب على هذه المشاكل ويتوقع أن ترى هذه الخلايا النور في العام 2020 بإذن الله تعالى.
وفي هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل الخلية الشمسية الصبغية بالمقارنة مع الخلية الشمسية التقليدية وعرض بعض مقاطع الفيديو التي تشرح طريقة تصنيع خلية شمسية صبغية.
وقبل أن نقوم بشرح تفاصيل هذه التقنية الواعدة لنلقي الضوء على تقنية الخلايا الشمسية المعتمدة على أشباه الموصلات والتي تم شرحها في كيف تعمل الأشياء ومدرجة في مراجع هذا المقال،
الخلايا الشمسية بتقنية أشباه الموصلات
باختصار فان الخلايا الشمسية التقليدية المعروفة والتي تعتمد على أشباه الموصلات فإنها تصنع من بلورتين احدهما مطعم بشوائب تجعل البلورة n-type أي تحتوي على عدد من الالكترونات الحرة الإضافية والبلورة الأخرى تطعم بشوائب تجعلها من النوع p-type والتي تفتقد الالكترونات الحرة. وعند توصيل البلورتين مع بعضهما البعض لتشكل وصلة p-n فان بعض الالكترونات في n-type سوف يتدفق إلى p-type لسد العجز في الالكترونات فيه، علما بان الفقد في الالكترونات في p-type يعرف باسم فجوة hole.
وفي النهاية فان عدد كافي من الالكترونات سوف يتدفق عبر الحد الفاصل بين البلورتين ليعمل على مساواة مستويات فيرمي Fermi levels في البلورتين. وتتكون منطقة فاصلة تعرف باسم وصلة p-n (p-n junction)، حيث تستنزف حاملات الشحنة أو تتراكم على كلا جانبي الحد الفاصل. في مادة السليكون فان انتقال الالكترونات سوف يعمل فرق جهد عند الحد الفاصل تتراوح قيمته بين 0.6 إلى 0.7 فولت.
عند تعرض الوصلة الآن لأشعة الشمس فان فوتونات الضوء سوف تصطدم بالالكترونات المرتبطة في n-type وتعطيها المزيد من الطاقة بعملية تعرف باسم الإثارة الضوئية photoexcitation. وفي مادة السليكون، فان أشعة الشمس سوف تزود الالكترونات بالطاقة الكافية لتنتقل الالكترونات من حزمة التكافؤ (مستوى الطاقة المنخفض) إلى حزمة التوصيل (مستوى الطاقة الأعلى). والالكترونات في حزمة التوصيل تكون حرة الحركة. وعند توصيل وصلة p-n في دائرة كهربية فان الالكترونات سوف تتدفق من n-type إلى p-type وتقوم هذه الالكترونات بملء الفراغات في حزمة التكافؤ التي تركت فارغة بدون الكترونات. وبهذه الطريقة تقوم أشعة الشمس بتوصيل التيار الكهربي.
في أي مادة شبه موصلة semiconductor فان فجوة الطاقة band gap تعني أن الفوتونات التي تمتلك نفس قيمة فجوة الطاقة أو أكثر هي تلك التي تساهم في إنتاج التيار الكهربي. وفي حالة مادة السليكون silicon، فان معظم الضوء المرئي من الأحمر وحتى البنفسجي يمتلك الطاقة الكافية ليساهم في إنتاج التيار الكهربي. ولكن لسوء الحظ فان الطاقة الإضافية التي تمتلكها فوتونات الضوء الأزرق والبنفسجي تفقد في شكل حرارة. كما انه لكي نحظى بفرصة معقولة لاقتناص الفوتون في طبقة n-type يجب أن تكون سميكة بشكل مناسب. وهذا أيضا سوف يزيد من فرصة انطلاق إلكترون أخر ليتحد مع فجوة في المادة قبل أن يصل إلى الحد الفاصل لوصلة p-n. هذه التأثيرات تجعل أقصى كفاءة يمكن أن نحصل عليها محدودا في الخلايا الشمسية المصنعة من مادة السليكون، وحاليا فان الكفاءة تتراوح بين 12% إلى 15% في الأنظمة التجارية ويمكن أن تصل إلى 25% في المختبر.
حتى الآن فان المشكلة الأكبر في الخلايا الشمسية التقليدية هي التكلفة العالية لإنتاجها، فالخلايا الشمسية تتطلب طبقة سميكة من السليكون المطعم بالشوائب ليمتلك معدل امتصاص للفوتونات مقبولا، وعملية تصنيع السليكون مكلفة جدا. وقد وجد الكثير من الطرق المختلفة لتقليل التكلفة بما فيها تقنيات إنتاج الأغشية الرقيقة، ولكن حتى يومنا هذا فان تطبيقها لازال محدودا لوجود العديد من المشاكل العملية. ويوجد حاليا خط بحثي جديد نجح في زيادة كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية يعتمد على إنتاج وصلات متعددة multi-junction إلا إن إنتاج هذه الخلايا مكلف للغاية ويمكن أن يكون مناسبا فقط لبعض المؤسسات الضخمة. وبصفة عامة فان الخلايا الشمسية المعدة للتثبيت على أسطح المنازل لم تتغير كفاءتها بشكل مناسب للاستخدام العملي بالرغم من انخفاض تكلفة الحصول عليها.
تقنية جديدة تستخدم لصناعة الخلايا الشمسية تعرف باسم dye-sensitized solar cell أي الخلايا الشمسية المصنعة باستخدام الصبغات العضوية والتي تعرف بالاختصار DSSC هي تقنية جديدة تندرج تحت التقنيات المستقبلية لصناعة الخلايا الشمسية بتكلفة قليلة. وتصنع الخلايا من مادة شبه موصلة بين أنود ضوئي والكترولايت (electrolyte ) وهو عبارة عن مادة تحتوي على ايونات تجعل من المادة موصلة للكهرباء. وابتكر هذه التقنية العالمين Michael Grätzel و O'Regan في العام 1991 وتعرف أيضا هذه الخلايا باسم العالم Grätzel أي نطلق عليها خلايا جرازيل Grätzel cells
تعتبر خلية جرازيل مهمة جدا لأنها تصنع من مواد غير مكلفة ولا تتطلب أجهزة معقدة لتصنيعها. وعندما تنتج بشكل كبير يجب أن تكون اقل تكلفة من الخلايا الشمسية المصنعة بالمواد الصلبة. ويمكن أن تصنع في صورة ألواح مرنة وذات قوة ميكانيكية عالية.
وبالرغم من أن كفاءة التحويل conversion efficiency (كفاءة تحويل أشعة الشمس إلى تيار كهربي) اقل من خلايا الأغشية الرقيقة الشمسية إلا أن النسبة بين التكلفة على الأداء تعتبر كبيرة بما فيه الكفاية لتنافس في مجال الطاقة الكهربية المتولدة عن الوقود البترولي. الكثير من التطبيقات التجارية المعتمدة على الخلايا الشمسية الصبغية متوقفة نتيجة لمشاكل متعلقة بالاستقرار الكيميائي لها إلا أن جهود عملية مضنية بذلت للتغلب على هذه المشاكل ويتوقع أن ترى هذه الخلايا النور في العام 2020 بإذن الله تعالى.
وفي هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل الخلية الشمسية الصبغية بالمقارنة مع الخلية الشمسية التقليدية وعرض بعض مقاطع الفيديو التي تشرح طريقة تصنيع خلية شمسية صبغية.
وقبل أن نقوم بشرح تفاصيل هذه التقنية الواعدة لنلقي الضوء على تقنية الخلايا الشمسية المعتمدة على أشباه الموصلات والتي تم شرحها في كيف تعمل الأشياء ومدرجة في مراجع هذا المقال،
الخلايا الشمسية بتقنية أشباه الموصلات
باختصار فان الخلايا الشمسية التقليدية المعروفة والتي تعتمد على أشباه الموصلات فإنها تصنع من بلورتين احدهما مطعم بشوائب تجعل البلورة n-type أي تحتوي على عدد من الالكترونات الحرة الإضافية والبلورة الأخرى تطعم بشوائب تجعلها من النوع p-type والتي تفتقد الالكترونات الحرة. وعند توصيل البلورتين مع بعضهما البعض لتشكل وصلة p-n فان بعض الالكترونات في n-type سوف يتدفق إلى p-type لسد العجز في الالكترونات فيه، علما بان الفقد في الالكترونات في p-type يعرف باسم فجوة hole.
وفي النهاية فان عدد كافي من الالكترونات سوف يتدفق عبر الحد الفاصل بين البلورتين ليعمل على مساواة مستويات فيرمي Fermi levels في البلورتين. وتتكون منطقة فاصلة تعرف باسم وصلة p-n (p-n junction)، حيث تستنزف حاملات الشحنة أو تتراكم على كلا جانبي الحد الفاصل. في مادة السليكون فان انتقال الالكترونات سوف يعمل فرق جهد عند الحد الفاصل تتراوح قيمته بين 0.6 إلى 0.7 فولت.
عند تعرض الوصلة الآن لأشعة الشمس فان فوتونات الضوء سوف تصطدم بالالكترونات المرتبطة في n-type وتعطيها المزيد من الطاقة بعملية تعرف باسم الإثارة الضوئية photoexcitation. وفي مادة السليكون، فان أشعة الشمس سوف تزود الالكترونات بالطاقة الكافية لتنتقل الالكترونات من حزمة التكافؤ (مستوى الطاقة المنخفض) إلى حزمة التوصيل (مستوى الطاقة الأعلى). والالكترونات في حزمة التوصيل تكون حرة الحركة. وعند توصيل وصلة p-n في دائرة كهربية فان الالكترونات سوف تتدفق من n-type إلى p-type وتقوم هذه الالكترونات بملء الفراغات في حزمة التكافؤ التي تركت فارغة بدون الكترونات. وبهذه الطريقة تقوم أشعة الشمس بتوصيل التيار الكهربي.
في أي مادة شبه موصلة semiconductor فان فجوة الطاقة band gap تعني أن الفوتونات التي تمتلك نفس قيمة فجوة الطاقة أو أكثر هي تلك التي تساهم في إنتاج التيار الكهربي. وفي حالة مادة السليكون silicon، فان معظم الضوء المرئي من الأحمر وحتى البنفسجي يمتلك الطاقة الكافية ليساهم في إنتاج التيار الكهربي. ولكن لسوء الحظ فان الطاقة الإضافية التي تمتلكها فوتونات الضوء الأزرق والبنفسجي تفقد في شكل حرارة. كما انه لكي نحظى بفرصة معقولة لاقتناص الفوتون في طبقة n-type يجب أن تكون سميكة بشكل مناسب. وهذا أيضا سوف يزيد من فرصة انطلاق إلكترون أخر ليتحد مع فجوة في المادة قبل أن يصل إلى الحد الفاصل لوصلة p-n. هذه التأثيرات تجعل أقصى كفاءة يمكن أن نحصل عليها محدودا في الخلايا الشمسية المصنعة من مادة السليكون، وحاليا فان الكفاءة تتراوح بين 12% إلى 15% في الأنظمة التجارية ويمكن أن تصل إلى 25% في المختبر.
حتى الآن فان المشكلة الأكبر في الخلايا الشمسية التقليدية هي التكلفة العالية لإنتاجها، فالخلايا الشمسية تتطلب طبقة سميكة من السليكون المطعم بالشوائب ليمتلك معدل امتصاص للفوتونات مقبولا، وعملية تصنيع السليكون مكلفة جدا. وقد وجد الكثير من الطرق المختلفة لتقليل التكلفة بما فيها تقنيات إنتاج الأغشية الرقيقة، ولكن حتى يومنا هذا فان تطبيقها لازال محدودا لوجود العديد من المشاكل العملية. ويوجد حاليا خط بحثي جديد نجح في زيادة كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية يعتمد على إنتاج وصلات متعددة multi-junction إلا إن إنتاج هذه الخلايا مكلف للغاية ويمكن أن يكون مناسبا فقط لبعض المؤسسات الضخمة. وبصفة عامة فان الخلايا الشمسية المعدة للتثبيت على أسطح المنازل لم تتغير كفاءتها بشكل مناسب للاستخدام العملي بالرغم من انخفاض تكلفة الحصول عليها.
