التحويل الكهروضوئية Photovoltaics هو التحويل المباشر للضوء إلى كهرباء على المستوى الذري. تُظهر بعض المواد خاصية تُعرف بالتأثير الكهروضوئي Photoelectric Effect والتي تجعلها تمتص فوتونات الضوء وتحرر الإلكترونات. عندما يتم التقاط هذه الإلكترونات الحرة ، ينتج تيار كهربائي يمكن استخدامه ككهرباء.

 

لاحظ الفيزيائي الفرنسي إدموند بيكريل Edmund Bequerel التأثير الكهروضوئي Photoelectric Effect لأول مرة في عام 1839 م، حيث وجد أن بعض المواد تنتج كميات صغيرة من التيار الكهربائي عند تعرضها للضوء. في عام 1905 م، وصف ألبرت أينشتاين Albert Einstein طبيعة الضوء والتأثير الكهروضوئي Photoelectric Effect الذي تستند إليه التكنولوجيا الكهروضوئية Photovoltaic PV ، والذي فاز لاحقًا بجائزة نوبل في الفيزياء. تم بناء أول وحدة كهروضوئية Photovoltaic Module بواسطة مختبرات بيل Bell Laboratories في عام 1954 م. تم وصفها على أنها بطارية شمسية Solar Battery وكانت في الغالب مجرد تحفة لأنها كانت باهظة الثمن للغاية لاستخدامها على نطاق واسع. في الستينيات ، بدأت صناعة الفضاء في أول استخدام جاد لتلك التكنولوجيا لتوفير الطاقة على متن المركبات الفضائية. من خلال برامج الفضاء ، تقدمت تلك التكنولوجيا ، وتم التأكد من موثوقيتها ، وبدأت التكلفة في الانخفاض. خلال أزمة الطاقة في السبعينيات ، اكتسبت التكنولوجيا الكهروضوئية اعترافًا كمصدر للطاقة للتطبيقات غير الفضائية.

 

يوضح الرسم في الأعلي الفكرة الأساسية لتشغيل الخلية الكهروضوئية Photovoltaic Cell ، والتي تسمى أيضًا الخلية الشمسية Solar Cell . تصنع الخلايا الشمسية Solar Cells من نفس أنواع مواد أشباه الموصلات Semiconductor ، مثل السيليكون Silicon ، المستخدمة في صناعة الإلكترونيات الدقيقة. بالنسبة للخلايا الشمسية ، يتم معالجة رقاقة رقيقة من أشباه الموصلات بشكل خاص لتشكيل مجال كهربائي Electric Field ، موجب من جانب وسالب من الجانب الآخر. عندما تضرب الطاقة الضوئية الخلية الشمسية ، تنفصل الإلكترونات عن الذرات في مادة أشباه الموصلات. إذا تم توصيل أسلاك موصلة كهربيا بالجانبين الموجب والسالب ، لتشكيل دائرة كهربائية ، فيمكن التقاط الإلكترونات في شكل تيار كهربائي Electric Current – أي الكهرباء Electricity . يمكن بعد ذلك استخدام هذه الكهرباء لتشغيل حمل كهربي Load ، مثل مصباح أو أداة.

 

يُطلق على عدد من الخلايا الشمسية Solar Cells المتصلة كهربائيًا ببعضها البعض والمثبتة في هيكل أو إطار داعم الوحدة الكهروضوئية Photovoltaic Module . تم تصميم الوحدات Modules لتزويد الكهرباء بجهد معين ، مثل النظام الشائع ذو 12 فولت. يعتمد التيار الناتج بشكل مباشر على مقدار الضوء الذي يسقط علي الوحدة الكهروضوئية Module .

.

.

يمكن توصيل وحدات Modules متعددة معًا لتشكيل مصفوفة Array . بشكل عام ، كلما زادت مساحة الوحدة أو المصفوفة ، زادت الكهرباء التي سيتم إنتاجها. تنتج الوحدات والمصفوفات الكهروضوئية تيارًا كهربائيًا مستمرا (dc) Direct-Current (DC) Electricity . يمكن توصيلها في شكل توصيل علي التوالي Series أو توصيل علي التوازي Parallel لإنتاج أي جهد Voltage وتيار Current مطلوبان معا.

 

تستخدم العناصر الكهروضوئية PV Devices الأكثر شيوعًا حاليًا وصلة واحدة Single Junction ، أو واجهة Interface ، لإنشاء مجال كهربائي داخل أشباه الموصلات مثل الخلية الكهروضوئية PV Cell . في الخلية الكهروضوئية أحادية الوصلة Single-Junction PV Cell ، يمكن فقط للفوتونات التي تساوي طاقتها أو تزيد عن فجوة النطاق Band Gap في مادة الخلية أن تحرر إلكترونًا في الدائرة الكهربائية. بعبارة أخرى ، تقتصر الاستجابة الكهروضوئية للخلايا أحادية الوصلة على جزء من طيف الشمس الذي تكون طاقته أعلى من فجوة النطاق Band Gap للمادة الممتصة Absorbing Material ، ولا يتم استخدام الفوتونات منخفضة الطاقة.

 

تتمثل إحدى طرق التغلب على هذا القيد في استخدام خليتين مختلفتين (أو أكثر) ، لكل منها فجوة نطاق Band Gap مختلفة ووصلات Junctions أكثر من استخدام وصلة واحدة ، لتوليد جهد كهربي. وتُسمي هذه الخلايا “متعددة الوصلات Multijunction” (وتسمى أيضًا الخلايا “المتتالية Cascade” أو “الترادفية Tandem”). يمكن للعناصر متعددة الوصلات أن تحقق كفاءة تحويل Conversion Efficiency إجمالية أعلى لأنها يمكن أن تحول المزيد من طيف الطاقة Energy Spectrum الخاص بالضوء إلى كهرباء.

 

كما هو موضح أدناه ، فإن العنصر متعدد الوصلات Multijunction Device عبارة عن كومة من الخلايا الفردية أحادية الوصلة Single-Junction Cells بترتيب تنازلي لفجوة النطاق Band Gap (على سبيل المثال). تلتقط الخلية العلوية الفوتونات عالية الطاقة وتمرر بقية الفوتونات ليتم امتصاصها بواسطة خلايا ذات فجوة نطاق أقل.

 

.

تركز الكثير من أبحاث اليوم في الخلايا متعددة الوصلات Multijunction Cells على استخدام زرنيخيد الجاليوم Gallium Arsenide كواحد (أو كل) من الخلايا المكونة. وصلت هذه الخلايا إلى نسبة كفاءة تبلغ حوالي 35 ٪ تحت أشعة الشمس المركزة. المواد الأخرى التي تمت دراستها للعناصر متعددة الوصلات Multijunction Devices كانت عبارة عن السيليكون غير المتبلور Amorphous Silicon والنحاس ثنائي سيلينيد الإنديوم Copper Indium Diselenide .

 

كمثال ، العنصر متعدد الوصلات أدناه يستخدم خلية عليا Top Cell من فوسفيد إنديوم الجاليوم Gallium Indium Phosphide ، “وصلة نفقية Tunnel Junction” ، للمساعدة في تدفق الإلكترونات بين الخلايا ، وخلية سفلية Bottom Cell من زرنيخيد الجاليوم Gallium Arsenide .

.

.

المراجع

 

1- How do Photovoltaics Work? – NASA – Gil Knier – Aug 6, 2008

*

 

• المصفوفات الشمسية – ما هو التحويل الكهروضوئي What is Photovoltaics ؟

.

• مسبار دارت DART ينفيذ الاصطدام بالكويكب ديمورفوس Dimorphos

.

• تجارب لصهر بلورات في ظروف انعدام الجاذبية للحصول على مواد جديدة

.

• اتصالات فضائية – ما هو رمز النداء Call Sign ؟

 

• أساسيات الأقمار الصناعية

.

• ما الذي يتطلبه الأمر لوضع قمر صناعي للهواة Amateur-Satellite في المدار؟

.

• مفتاح إيقاف Kill Switch القمر الصناعي

.

• الوقود تلقائى الاشتعال Hypergolic Propellant

.

• وقود المركبات الفضائية – الضغط الذاتي Autogenous Pressurization

.

• التحكم في الوضعية Attitude Control

.

• اتصالات فضائية – ما هو رمز النداء Call Sign ؟

.

• التأخير في إشارة الأقمار الصناعية

.

• تقنية روسية لحماية إتصالات المركبات الفضائية من التشويش

.

• المركبات الفضائية الروبوتية Robotic Spacecraft

.

• المدارات Orbits الفضائية وأنواعها

.

• نافذة الإطلاق Launch Window

.

• الانزلاق المعزز Boost-glide

.

• نقل وشحن الأقمار الصناعية إلي موقع الإطلاق Satellites Shipment to The Launch Site

.

• محرك الدفع الأيوني Ion Thruster الأوروبي بالترددات الراديوية

.

• كتاب : الأقمار الصناعية Satellites من التصنيع والإطلاق إلي الإنزال

.

• كتاب : الأقمار الصناعية Satellites من التصنيع والإطلاق إلي الإنزال – الجزء الثاني

.

• كتاب : رقع وشعارات ورموز البرامج والرحلات الفضائية Patches – Logo