تعليم

مبدأ عمل الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية.

يعتمد تحويل الطاقة الضوئية في الطاقة الكهربائية على ظاهرة تسمى التأثير الكهروضوئي. عندما تتعرض مواد أشباه الموصلات للضوء ، يتم امتصاص بعض فوتونات شعاع الضوء بواسطة بلورة أشباه الموصلات مما يسبب عددًا كبيرًا من الإلكترونات الحرة في البلورة. هذا هو السبب الأساسي لإنتاج الكهرباء بسبب تأثير الخلايا الكهروضوئية. الخلية الكهروضوئية هي الوحدة الأساسية للنظام حيث يتم استخدام التأثير الكهروضوئي لإنتاج الكهرباء من الطاقة الضوئية. السيليكون هو مادة أشباه الموصلات الأكثر استخداماً لبناء الخلية الكهروضوئية. تحتوي ذرة السيليكون على أربعة إلكترونات تكافؤ. في البلورة الصلبة ، تشترك كل ذرة سيليكون في كل من إلكترونات التكافؤ الأربعة مع أقرب ذرة سيليكون أخرى ، وبالتالي تخلق روابط تساهمية بينهما. بهذه الطريقة ، تحصل بلورة السيليكون على هيكل شبكي رباعي السطوح. بينما يضرب شعاع الضوء على أي مادة ينعكس جزء من الضوء ، ينتقل جزء منه عبر المواد ويتم امتصاص الباقي بواسطة المواد.

يحدث الشيء نفسه عندما يسقط الضوء على بلورة السيليكون. إذا كانت شدة الضوء الساقط عالية بدرجة كافية ، فإن البلورة تمتص أعداداً كافية من الفوتونات ، وتثير هذه الفوتونات بدورها بعض إلكترونات الروابط التساهمية. ثم تحصل هذه الإلكترونات المثارة على طاقة كافية للانتقال من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. نظراً لأن مستوى طاقة هذه الإلكترونات في نطاق التوصيل ، فإنها تخرج من الرابطة التساهمية تاركة فجوة في الرابطة خلف كل إلكترون تمت إزالته.

هذه تسمى الإلكترونات الحرة تتحرك بشكل عشوائي داخل التركيب البلوري للسيليكون. تلعب هذه الإلكترونات والثقوب دوراً حيوياً في توليد الكهرباء في الخلية الكهروضوئية. ومن ثم تسمى هذه الإلكترونات والثقوب بالإلكترونات المتولدة من الضوء والثقوب على التوالي. هذه الإلكترونات والثقوب المولدة للضوء لا يمكنها إنتاج الكهرباء في بلورة السيليكون وحدها. يجب أن تكون هناك آلية إضافية للقيام بذلك.

عند إضافة شوائب خماسية التكافؤ مثل الفوسفور إلى السيليكون ، تتم مشاركة إلكترونات التكافؤ الأربعة لكل ذرة فوسفور خماسي التكافؤ من خلال روابط تساهمية مع أربع ذرات سيليكون مجاورة ، ولا يحصل إلكترون التكافؤ الخامس على أي فرصة لإنشاء رابطة تساهمية.

ثم يرتبط هذا الإلكترون الخامس بشكل فضفاض نسبياً بالذرة الأم. حتى في درجة حرارة الغرفة ، فإن الطاقة الحرارية المتاحة في البلورة كبيرة بما يكفي لفصل هذه الإلكترونات الخامسة الفضفاضة نسبياً عن ذرة الفوسفور الأم. في حين أن هذا الإلكترون الخامس السائب نسبياً ينفصل عن ذرة الفوسفور الأم ، فإن ذرة الفوسفور أيونات موجبة غير متحركة.يصبح الإلكترون المنفصل المذكور حراً ولكن لا يحتوي على أي رابطة تساهمية غير كاملة أو ثقب في البلورة ليتم إعادة ربطه. تأتي هذه الإلكترونات الحرة من شوائب خماسية التكافؤ جاهزة دائماً لتوصيل التيار في أشباه الموصلات.

على الرغم من وجود عدد من الإلكترونات الحرة ، لا تزال المادة محايدة كهربائياً حيث أن عدد أيونات الفوسفور الموجبة المقفلة داخل الهيكل البلوري يساوي تماماً عدد الإلكترونات الحرة الخارجة منها. تُعرف عملية إدخال الشوائب في أشباه الموصلات باسم المنشطات ، وتُعرف الشوائب باسم dopants.

تُعرف الدوبانات الخماسية التكافؤ التي تتبرع بإلكترونها الحر الخامس إلى بلورة أشباه الموصلات بالمتبرعين. تُعرف أشباه الموصلات التي تغمرها شوائب المانحين باسم أشباه الموصلات من النوع n أو النوع السلبي حيث يوجد الكثير من الإلكترونات الحرة المشحونة سلباً بطبيعتها.

عندما تُضاف ذرات الفوسفور الخماسية التكافؤ بدلاً من ذلك ، إلى ذرات شوائب ثلاثية التكافؤ مثل البورون إلى بلورة أشباه الموصلات من النوع المعاكس لأشباه الموصلات. في هذه الحالة ، سيتم استبدال بعض ذرات السيليكون في الشبكة البلورية بذرات البورون ، بمعنى آخر ، ستشغل ذرات البورون مواقع ذرات السيليكون المستبدلة في البنية الشبكية. سوف تتزاوج ثلاثة إلكترونات تكافؤ من ذرة البورون مع إلكترون التكافؤ لثلاث ذرات سيليكون مجاورة لإنشاء ثلاث روابط تساهمية كاملة. لهذا التكوين ، سيكون هناك ذرة سيليكون لكل ذرة بورون ، ولن يجد إلكترون التكافؤ الرابع أي إلكترونات تكافؤ مجاورة لإكمال الرابطة التساهمية الرابعة. ومن ثم فإن إلكترون التكافؤ الرابع هذا من ذرات السيليكون يظل غير متزاوج ويتصرف كرابطة غير مكتملة. لذلك سيكون هناك نقص في إلكترون واحد في الرابطة غير المكتملة ، وبالتالي فإن الرابطة غير الكاملة تجذب الإلكترون دائماً لتلبية هذا النقص. على هذا النحو ، هناك شاغر ليجلس الإلكترون.

هذا الشاغر يسمى من الناحية المفاهيمية الفجوة الإيجابية. في أشباه الموصلات المشبعة بالشوائب ثلاثية التكافؤ ، يتم كسر عدد كبير من الروابط التساهمية باستمرار لإكمال الروابط التساهمية الأخرى غير المكتملة. عندما يتم كسر رابطة واحدة يتم إنشاء ثقب واحد فيها. عند اكتمال رابطة واحدة ، تختفي الفتحة الموجودة فيها. بهذه الطريقة ، يبدو أن ثقباً واحداً يختفي ثقباً جاراً آخر.

مثل هذه الثقوب لها حركة نسبية داخل بلورة أشباه الموصلات. في ضوء ذلك ، يمكن القول أن الثقوب يمكن أيضاً أن تتحرك بحرية كإلكترونات حرة داخل بلورة أشباه الموصلات. نظراً لأن كل ثقب من الثقوب يمكن أن يقبل إلكتروناً ، فإن الشوائب ثلاثية التكافؤ تُعرف باسم dopants وتعرف أشباه الموصلات المخدرة بالمواد المستقبلة باسم نوع p أو أشباه الموصلات من النوع الإيجابي.

في أشباه الموصلات من النوع n ، تحمل الإلكترونات الحرة شحنة سالبة وفي أشباه الموصلات من النوع p بشكل أساسي تحمل الثقوب بدورها شحنة موجبة وبالتالي فإن الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات من النوع n وتسمى الثقوب الحرة في أشباه الموصلات من النوع p حامل الأغلبية في النوع n أشباه الموصلات وأشباه الموصلات من النوع p على التوالي.يوجد دائماً حاجز محتمل بين المواد من النوع n والنوع p. هذا الحاجز المحتمل ضروري لعمل الخلايا الشمسية أو الكهروضوئية. في حين أن أشباه الموصلات من النوع n وأشباه الموصلات من النوع p تتلامس مع بعضها البعض ، فإن الإلكترونات الحرة القريبة من سطح التلامس لأشباه الموصلات من النوع n تحصل على الكثير من الثقوب المجاورة للمواد من النوع p. ومن ثم تقفز الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات من النوع n بالقرب من سطح التلامس إلى الثقوب المجاورة للمادة من النوع p لإعادة الاتحاد. ليس فقط الإلكترونات الحرة ، ولكن إلكترونات التكافؤ لمواد من النوع n بالقرب من سطح التلامس تخرج أيضاً من الرابطة التساهمية وتعيد اتحادها مع المزيد من الثقوب القريبة في أشباه الموصلات من النوع p. عندما يتم كسر الروابط التساهمية ، سيكون هناك عدد من الثقوب التي تم إنشاؤها في المادة من النوع n بالقرب من سطح التلامس.

وبالتالي ، بالقرب من منطقة التلامس ، تختفي الثقوب الموجودة في المواد من النوع p بسبب إعادة التركيب من ناحية أخرى ، تظهر الثقوب في المواد من النوع n بالقرب من نفس منطقة التلامس. وهذا يعادل انتقال الثقوب من النوع p إلى أشباه الموصلات من النوع n. وبمجرد أن يتلامس أحد أشباه الموصلات من النوع n وأشباه الموصلات من النوع p ، فإن الإلكترونات من النوع n ستنتقل إلى النوع p وستنتقل الثقوب من النوع p إلى النوع n.

العملية سريعة جداً ولكنها لا تستمر إلى الأبد. بعد فترة وجيزة ، ستكون هناك طبقة من الشحنة السالبة (الإلكترونات الزائدة) في أشباه الموصلات من النوع p بجوار جهة الاتصال على طول سطح التلامس. وبالمثل ، ستكون هناك طبقة من الشحنة الموجبة (أيونات موجبة) في أشباه الموصلات من النوع n المجاورة للتلامس على طول سطح التلامس. يزداد سمك طبقة الشحنة السالبة والموجبة هذه إلى حد معين ، ولكن بعد ذلك ، لن تنتقل المزيد من الإلكترونات من أشباه الموصلات من النوع n إلى أشباه الموصلات من النوع p.

هذا لأنه ، بينما يحاول أي إلكترون من أشباه الموصلات من النوع n الانتقال عبر أشباه الموصلات من النوع p ، فإنه يواجه طبقة سميكة بما يكفي من الأيونات الموجبة في أشباه الموصلات من النوع n نفسه حيث ينخفض ​​دون عبوره. وبالمثل ، لن تنتقل الثقوب بعد الآن إلى أشباه الموصلات من النوع n من النوع p. الثقوب عند محاولة عبور الطبقة السلبية في أشباه الموصلات من النوع p سوف تتحد مع الإلكترونات ولن تتحرك نحو المنطقة من النوع n.

بمعنى آخر ، تشكل طبقة الشحنة السالبة في الجانب من النوع p وطبقة الشحنة الموجبة في الجانب من النوع n معاً حاجزاً يعارض انتقال ناقلات الشحنة من جانبها إلى آخر. وبالمثل ، يتم منع الثقوب الموجودة في المنطقة من النوع p من دخول المنطقة من النوع n. بسبب الطبقة المشحونة الموجبة والسالبة ، سيكون هناك مجال كهربائي عبر المنطقة وتسمى هذه المنطقة طبقة النضوب.

الآن دعونا نأتي إلى بلورة السيليكون. عندما يضرب شعاع الضوء على البلورة ، تمتص البلورة جزءاً من الضوء ، وبالتالي ، يتم إثارة بعض إلكترونات التكافؤ وتخرج من الرابطة التساهمية مما ينتج عنه أزواج ثقوب إلكترونية حرة.إذا ضرب الضوء على أشباه الموصلات من النوع n ، فإن الإلكترونات من أزواج الثقوب الإلكترونية المتولدة من الضوء لن تتمكن من الهجرة إلى المنطقة p نظراً لأنها غير قادرة على عبور الحاجز المحتمل بسبب تنافر المجال الكهربائي عبر طبقة النضوب. في الوقت نفسه ، تعبر الثقوب الناتجة عن الضوء منطقة النضوب بسبب جذب المجال الكهربائي لطبقة النضوب حيث تتحد مع الإلكترونات ، ومن ثم يتم تعويض نقص الإلكترونات هنا بإلكترونات التكافؤ في المنطقة p ، وهذا يجعل أكبر عدد ممكن من الثقوب في المنطقة p. نظراً لأن هذه الثقوب الناتجة عن الضوء يتم تحويلها إلى المنطقة p حيث يتم احتجازها لأنها بمجرد وصولها إلى المنطقة p لا يمكن أن تعود إلى المنطقة من النوع n بسبب تنافر الحاجز المحتمل.

نظراً لأن الشحنة السالبة (الإلكترونات المولدة بالضوء) محاصرة في جانب واحد والشحنة الموجبة (الثقوب المتولدة عن الضوء) محاصرة في الجانب المقابل للخلية ، فسيكون هناك فرق جهد بين هذين الجانبين من الخلية. يكون فرق الجهد هذا عادةً 0.5 فولت. وهذه هي الطريقة التي تنتج بها الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الشمسية فرق الجهد.

المرجع :

Working Principle of Solar Cell or Photovoltaic Cell/https://www.electrical4u.com/

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى