لمحة عن الخلايا الكهروضوئية الشمسية

من الواضح أن في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين سينضب الوقود الحفري لدرجة أنه لن يمكنه سد حاجة المجتمع البشري من الطاقة. هناك أنواع متعددة من مصادر الطاقة المتجددة، العديد منها له عيوب، بما في ذلك الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية. ويمكن للتطبيقات الحرارية الشمسية مثل سخانات الماء الشمسية أن تسد جزءًا صغريًا فقط من إجمالي الطلب على الطاقة، وتعد الخلايا الشمسية البديل الوحيد الواعد للوقود الحفري. وفي هذا القسم، سنلقي نظرة سريعة على المفاهيم الأساسية للخلايا الكهروضوئية الشمسية.

ميلاد الخلايا الشمسية الحديثة

في عام 1953 ، دشنت مختبرات بيل مشروعا بحثيٍّا لإنتاج أجهزة لتوفير مصدر طاقة للأجزاء البعيدة من العالم، حيث لا تتوفر شبكة كهرباء. اقترح العالم الرائد داريل تشابن استخدام خلايا شمسية ووافق رؤساؤه على اقتراحه. في ذلك الوقت، كان مفهوم التأثير الكهروضوئي في السيلينيوم، المكتشف في سبعينيات القرن التاسع عشر قد أضِفيَت الصبغة التجارية عليه بالفعل في صورة جهاز لقياس شدة ُ، الإضاءة في التصوير الفوتوغرافي، ويعرض الشكل 1-22 (أ) مخططا له. تُوضع طبقة من السيلينيوم على ركيزة من النحاس، ثم تُغطى بطبقة رقيقة شبه شفافة من الذهب. وعندما يُضاء الجهاز بالضوء المرئي، يُولَّد فرق جهد كهربي يُنتج بدوره تيارا كهربيٍّا، وتعتمد ً شدة التيار الكهربي على شدة الضوء، وقد كان هذا جهازا قياسيٍّا في النصف الأول من القرن العشرين بالنسبة للمصورين الفوتوغرافيين لقياس ظروف الإضاءة، كما أنه أكثر متانة وسهولة في الاستخدام بكثير من المقاومات الضوئية لعدم وجود أجزاء متحركة به وعدم احتياجه لبطارية. بدأ تشابن تجربته باستخدام الخلايا الضوئية المصنوعة من السيلينيوم، ووجد أن كفاءتها، 0.5 بالمائة، قليلة جدا بحيث لا تستطيع توليد طاقة كافية للتطبيقات الهاتفية، ثم في ضربة حظ لا يمكن تصديقها، انضم إليه عاملان من مختبرات بيل، وهما كلفن فولر وجريالد بريسون، كانا يعملان في المشروع الرائد لتطوير ترانزستورات من السيليكون

شكل 1-22: خلية شمسية مصنوعة من السيلينيوم وأخرى مصنوعة من السيليكون. (أ) اكتُشفَت الخلية الكهروضوئية المصنوعة من السيلينيوم في منتصف القرن التاسع عشر واستُخدمت لقياس شدة الإضاءة في التصوير الفوتوغرافي. (ب) اخترعت الخلية الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون في مختبرات بيل في عام 1954 باستخدام التقنية الخاصة بترانزستورات السيليكون.

وعملوا معا على تقنية السيليكون الناشئة لتصنيع الخلايا الشمسية وفي عام 1954. انشئت خلية شمسية بكفاءة تصل إلى 5.7 بالمائة ،وقدمت للناس. ويعرض الشكل 1-22(ب) مخططا لها.

صنعت الخلية الشمسية السيليكون من بلورة واحدة من السيليكون. وباستخدام ُ دقيق لعملية الإشابة، صنعت وصلة pn يكون الجانب n  من الوصلة رفيعا جدا ومشوبًا  بدرجة عالية للسماح للضوء بالانتقال للوصلة بدرجة قليلة جدا من التوهين، لكن التوصيل الكهربي الجانبي يكون كافيًا جدا لتجميع التيار للتماس الأمامي عبر مصفوفة من الأصابع الفضية. أما عن الجانب الخلفي من السيليكون، فهو مغطى بطبقة معدنية رقيقة، عادة من الألومنيوم. وقد بقي التركيب الأساسي للخلايا الشمسية السيليكونية كما هو دون تغيري حتى الآن. أحدث الظهور الأول للخلية الشمسية في مدينة نيويورك ضجةً كبرية، كانت تكلفة إنشاء مثل هذه الخلايا الشمسية عاليةً جدا. ومن منتصف خمسينيات القرن الماضي وحتى أوائل سبعينياته، كان البحث والتطوير في مجال الخلايا الكهروضوئية موجها بالأساس لتطبيقات الفضاء وطاقة الأقمار الصناعية. وفي عام 1976، أنشئت وزارة الطاقة الأمريكية، وكذلك برنامج الخلايا الكهروضوئية. وبدأت وزارة الطاقة، إلى جانب العديد من المنظمات الدولية الأخرى، تمويل البحث في مجال الخلايا الكهروضوئية بمستويات ملحوظة وسرعان ما أنشئت صناعة الخلايا الشمسية الأرضية، وقد قلَّل التوفير الناجم عن الإنتاج واسع النطاق وكذلك التقدم التقني الحادث في المجال؛ من سعر الخلايا الشمسية على نحو كبير. ويعرض الشكل 1-24 التطور السنوي لسعر ومعدل تركيب الخلايا الشمسية من عام 1980 حتى عام 2007.

شكل 1-24: متوسط سعر ومعدل تركيب الخلايا الشمسية فيما بين عامي 1980 و2007. انخفض متوسط سعر الخلايا الشمسية بمقدار الثلثين من أكثر من 20 $/Wp  في عام 1980 إلى  5.6 $/Wp في عام 1990 .وقد زاد بانتظام معدل تركيب الخلايا الشمسية خلال تلك الفترة. المصدر: «صناعة الخلايا الكهروضوئية الشمسية»، تقرير «التوقعات العاملية» لعام 2008، مصرف دويتشه بنك.