خلايا الفوتوفولتيك

 خلايا الفوتوفولتيكتحويل الفوتون إلى الكترون الخلايا الشمسية المستخدمة في الالات الحاسبة وفي الاقمار الصناعية هي عبارة عن خلايا فوتوفولتيك وهي عبارة عن مجموعة من الخلايا الكهربية موصلة مع بعضها البعض في اطار واحد على شكل لوحة. وكلمة فوتوفولتيك هو اسم مشتق من طبيعة عمل الخلية فكلمة فوتو تعني ضوء وكلمة فولتيك تعني كهرباء، وهذا يعني تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. في البداية كانت خلايا الفوتوفولتيك تستخدم في الاقمار الصناعية ومحطات الفضاء للحصول على الكهرباء من اشعة الشمس مباشرة والان بدأت تدخل في العديد الأجهزة الالكترونية وفي السيارات. 
تصنع خلية الفوتوفولتيك من المواد اشباه الموصلات مثل السيليكون وكل خلية فوتوفولتيك مكونة من بلورة واحدة من السيلكون وتشكل مجموعة كبيرة من خلايا الفوتوفولتيك الخلية الشمسية. وببساطة عندما تسقط اشعة الضوء على الخلية فإن جزء من الضوء يتم امتصاصه من قبل ذرات السيليكون، اي ان طاقة الضوء قد امتصت من قبل مادة الخلية. تعمل هذه الطاقة على اثارة الالكترونات الغير مرتبطة في المادة وتجعلها تتحرك بحرية داخل المادة. وعندما تتعرض هذه الالكترونات الحرة لمجال كهربي فإنها سوف تتحرك كلها في اتجاه واحد وهذا يعني تيار كهربي وعند ربط طرفي خلية الفوتوفولتيك بنقطتي توصيل على السطح العلوي والسطح السفلي للخلية نحصل على تيار كهربي طالما استمر سقوط الضوء على خلية الفوتوفولتيك. وهذا التيار الكهربي هو الذي يشغل الالة الحاسبة وبمعلومية قيمة التيار الكهربي المار في الدائرة وفرق الجهد الكهربي المتولد على طرفي خلية الفوتوفولتيك يمكن ان نحصل على قيمة الطاقة الكهربية (الطاقة الكهربية (وات) = التيار الكهربي (امبير) x فرق الجهد الكهربي (فولت)) التي يمكن ان تولدها الخلية الشمسية. 
كيف يعمل السيلكون كخلية شمسية: يمتلك السيلكون بعض الخواص الكيميائية في تركيبه البلوري. فذرة السيليكون تحتوي على 14 الكترون موزعة على ثلاث مستويات طاقة. مستويين الطاقة الاول والثاني الاقرب للنواة يكونان ممتلأن تماماً بالالكترونات والمستوى الثالث أو المستوى الخارجي يحتوي على 4 الكتورنات فقط اي يكون نصفه ممتلئ والنصف الاخر فارغ حيث ان المدار يكتمل بـ 8 الكترونات. وتسعى ذرة السيليكون لان تكمل النقص في عدد الالكترونات في المستوى الخارجي ولتفعل ذلك فإنها تشارك اربع الكترونات من ذرات سيليكون مجاورة وبهذا ترتبط ذرات السيليكون بعضها البعض في شكل تركيب بلوري وهذا التركيب البلوري له فائدة كبيرة في خلية الفوتوفولتيك. 
ان بلورة السيليكون النقية لا توصل التيار الكهربي بكفاءة لانه لا يوجد الكترونات حرة لتنقل التيار الكهربي حيث ان كل الالكترونات قد قيدت في التركيب البلوري. ولهذا ولكي يتم استخدام السيليكون في الخلية الشمسية فإننا بحاجة إلى إجراء تعديل بسيط في التركيب البلوري. التعديل البسيط هذا هو عبارة عن اضافة ذرات عناصر اخرى (تسمى عملية تطعيم ) وهذه الذرات الاضافية نسميها شوائب وهي ضرورية لعمل الخلية الشمسية بغض النظر عن اسمها شوائب وقد يفهمها البعض انها ذرات غير مرغوب. يتم اضافة (تطعيم) ذرات الفوسفور بنسبة بسيطة جداً تصل إلى 1:1,000,000 وذرة الفوسفور تحتوي على 5 الكترونات في مدارها الخارجي ولهذا عندما تدخل الشبكة البلورية بين ذرات السيليكون ستشارك بـ 4 الكترونات ويبقى الكترون حر. 
لو تم تزويد السليكون النقي بالطاقة ولتكن طاقة حرارية مثلاً لوجدنا ان بعض الالكترونات تتحرر وتترك مكانها شاغر نسميه فجوة. تعمل هذه الوجوة على السماح لالكترون في الجوار بالانتقال اليها تاركاً فجوة اخرى وهكذا تستمر حركة الالكترونات في اتجاه وحركة الفجوات في الاتجاه المعاكس وهذه الحركة هي تيار كهربي. ولكن في حالة ذرات السليكون المطعمة بذرات الفوسفور يصبح الامر مختلف من ناحية ان الطاقة اللازمة لبدأ تحريك الالكترونات اقل بكثير من حالة السليكون النقي. وتسمى اشباه الموصلات التي تطعم بذرات تحتوي على الكترونات اضافية بالنوع N-type اي النوع السالب لانه اضاف الكترون للتركيب البلوري للذرات. ولهذا يعتبر السيليكون المطعم بالفوسفور موصل افضل من السيليكون النقي. كما انه يوجد تطعيم بذرات توفر الكترونات اضافية هناك تطعيم آخر بذرات لها عدد اقل من الالكترونات وتسمى المواد الناتجة عن هذا التطعيم بالنوع P-type اي النوع الموجب. وفي الحقيقة الخلية الشمسية تحتوي على كلا النوعين النوع الموجب والنوع السالب. والامر الاهم هو ما يحدث عن توصيل النوعين معاً حيث تنتقل الالكترونات الحرة في النوع السالب إلى الفجوات في النوع الموجب. 
انواع الخلايا الشمسية تم تصنيع خلايا شمسية من مواد مختلفة إلا أن أغلب هذه المواد نادرة الوجود بالطبيعة أولها خواص سامة ملوثة للبيئة أو معقدة التصنيع وباهظة التكاليف وبعضها لا يزال تحت الدراسة والبحث وعليه فقد تركز الاهتمام على تصنيع الخلايا الشمسية السيليكونية وذلك لتوفير عنصر السيليكون في الطبيعة علاوة على أن العلماء والباحثين تمكنوا من دراسة هذا العنصر دراسة مستفيضة وتعرفوا على خواصه المختلفة وملاءمته لصناعة الخلايا الشمسية المتبلرة ومتصدعة التبلر . 
الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة تصنع هذه الخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أو عديد التبلر ثم يؤرب إلي رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خلايا شمسية . كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحادية التبلر غالية الثمن حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونية عديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءة أيضاً . 
الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية ( متصدعة التبلر ) : مادة هذه الخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أو عناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدة التكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كميات صغيرة من المواد الخام المستخدمة في عمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري . ويعتبر تصنيع خلايا السيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتي الآلية . تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحية الكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثر استقرارها بالإشعاع الشمسي . 
التطبيقات 
غير متبلورة 
تستخدم الخلايا الشمسية غير المتبلورة في تطبيقات تحتاج قدرات منخفضة , و هذا النوع من الخلايا ذا ضمان صناعي لمدة خمسة و عشرون سنة 
متعددة التبلور 
و تستخدم هذه الخلايا في التطبيقات الصناعية و يمكن ربط الخلايا بالشبكة العامة , و هذا النوع من الخلايا ذا ضمان صناعي لمدة خمسة و عشرون سنة و الخلايا متعددة التبلور تستخدم في تطبيقات متعددة و خاصة في مناخ الثلوج و الرياح , شل سولار لها خبرة عشرون سنة و قامت بتركيب حوالي خمسون ميجاوات على مستوى العالم 
احادي التبلور 
الخلايا الشمسية احادية التبلور اثبتت انها تعطي اقصى قدرة في اقل مساحة و تستخدم الخلايا في التطبيقات الصناعية ويمكن ربط الخلايا بالشبكة العامة و هذا النوع من الخلايا ذا ضمان صناعي لمدة خمسة و عشرون سنة و الخلايا احادية التبلور هي اكبر خلايا متوفرةلمجمعات الفوتوفولتيكالمجمعات الفوتوفولتيك من الناحية التقنيه اي نوع من الفريق ان تستخدم الطاقة الحراريه الشمسيه لانتاج الكهرباء. وهناك مجموعة متنوعة من انواع الفريق ، من تلك التي تستخدم لتسخين المياه بالطاقه الشمسيه لتسخين المياه مع فريقي ، لتلك التي تستخدم لتخزين الطاقة الشمسيه ، مثل الطاقة الشمسيه والطاقة الحراريه الفريقين. 
وعلاوة على ذلك ، الألواح الشمسيه يمكن وصفه بأنه الضوءيه الفريق ، وهو ما من الفئة الفنية المستخدمة فى صناعة الطاقة الشمسيه لتوليد الكهرباء من اشعه الشمس. على الرغم من النوع من الألواح الشمسيه التي تجري مناقشتها ، وتقريبا جميع الألواح الشمسيه مسطحة. ويرجع ذلك الى حقيقة ان هناك حاجة الى السطح في زاويه 90 درجة من اشعه شموس لالتشكيل الامثل. الضوءيه الافرقه ، والشكل الاكثر شيوعا من الالواح الشمسيه في توليد الكهرباء والصناعة الفنية ، قادرة على امتصاص الطاقة من الشمس من خلال مجموعة متنوعة من أصغر الخلايا الشمسيه على السطح. يشبه الى حد كبير كيفية انشاء مصنع قادر على امتصاص الطاقة من الشمس لاغراض التمثيل الضوئي ، والخلايا الشمسيه في التصرف بطريقة مماثلة. كما فوتونات من اشعه الشمس تضرب الخلايا الشمسيه الضوءيه على الفريق ، ونقل الطاقة الى السيليكون اشباه الموصلات. الفوتون ومن ثم تحولت الى الكهرباء وصدر بعد ذلك من خلال ربط الاسلاك وأخيرا ادخل لتوليد الطاقة مرفق او بطاريه. 
أنواع المجمعات الفوتوفولتيك التجارية: الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة : تصنع هذه الخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أو عديد التبلر ثم يؤرب إلي رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خلايا شمسية . كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحادية التبلر غالية الثمن حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونية عديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءة أيضاً . 
الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية ( متصدعة التبلر ) : مادة هذه الخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أو عناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدة التكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كميات صغيرة من المواد الخام المستخدمة في عمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري . ويعتبر تصنيع خلايا السيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتي الآلية . تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحية الكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثر استقرارها بالإشعاع الشمسي . 
تطبيقات الخلايا الشمسية : تركز الاهتمام على إدخال الفولتضوئيات كمصدر للطاقة المتجددة في التطبيقات الأرضية بغية تطوير التقنية ووسائل الاستخدام في قطاع السكن والصحة والتعليم والصناعة والزراعة والنفط وغيرها في الاستخدامات الفولتضوئيات الجذابة اقتصادياً وفي المناطق المعزولة والنائية حيث تنقص تكلفة شبكات الكهرباء العامة وتساعد في الإنماء الاقتصادي والتطوير الاجتماعي المحلي . والمسطحات الفولتضوئية هي مصدر القدرة الكهربية لهذه التطبيقات ، حيث يتكون المسطح من عدة خلايا (متصلة معاً بصفائح سلكية معدنية ) مغطاة بملف من البلاستيك الحراري مثل أسيتات فينيل إيثيل أو غيره وآخر من التدلار لحمايتها من الأشعة فوق البنفسجية ومغلقة بصفيحة زجاجية من الأمام وطبقة واقية تعمل كقاعدة إنشائية من الزجاج أو من الألياف الزجاجية أو الخزف الصيني عند الخلف مركب عليها صندوق وصلة كهربائية ومحاط بإطار معدني . وهذه المسطحات يعوّل عليها بتطرف كمصدر طاقة كهربائية لأن ليس لها أجزاء متحركة وذات عمر طويل يتراوح من 15 إلي 35 سنة و أمان للبيئة ، كما تضفي على المباني شكلاً معمارياً جميلاً . 
تطبيقات ذات قدرة منخفضة : وتشمل الأجهزة والمنظومات - الحاسبات والألعاب الإلكترونية والساعات - أجهزة الإذاعة المسموعة وشاحنات وسائط القدرة المنخفضة . 
تطبيقات ذات قدرة متوسطة : وتشمل المنظومات -الإنارة - أجهزة الإذاعة المرئية - ثلاجات اللقاح والأمصال -إشارات المرور والإنذار -مراوح الأسقف ( التهوية ) -هواتف الطوارئ - شاحنات السياج الكهربي . 
تطبيقات ذات قدرة متوسطة وعالية ضخ المياه محطات اتصالات الموجات السنتيمترية محطات الأقمار الصنـــــاعية الأرضية الوقاية المهبطية لحماية أنابيب النفط والغاز والمنشآت المعدنية من التآكل تغذية شبكة الكهرباء ا العامةالشمس تعتبر المصدر الرئيسي للطاقة في كوكبالأرض ومنها توزعت وتحولت إلىمصادر الطاقة الأخرى سواء ما كان منها مخزون في طاقة الرياح والطاقة الحرارية فيجوف الأرض والطاقة المولدة من مساقط المياه أو غيرها من مصادر الطاقة كالفحم الحجريوالأخشاب ، وبما أن الطاقة الشمسية هي أهم مصادر الطاقة المتجددة فإن جهود كثير منالدول تتوجه لها بمختلف صورها وترصد لها المبالغ اللازمة لتطوير المنتجات والبحوثالخاصة باستغلال الطاقة الشمسية كإحدى أهم مصادر الطاقة البديلة للنفط والغاز , وقدأعطى النصيب الأوفر في البحوث والتطبيقات لمجال تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباءوهو ما يعرف باسم Photovoltaic وهذا المصدر من الطاقة هو أمل الدول النامية فيالتطور حيث أصبح توفر الطاقة الكهربائي من أهم العوامل الرئيسية لإيجاد البنىالأساسية فيها . إن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبرالتحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسيةتقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياًسيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهمواستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار. إن مشكلة نضوب مصادر الطاقة التقليدية وتلوث البيئة الناشئ عن شراهة الدول الصناعيةفي حرق النفط والفحم, ناهيك عن ارتفاع أسعارها وما ترتب على ذلك من مشاكل اقتصاديةوخيمة لدول العالم النامي لمن أهم ما يدعونا إلى ضرورة الالتفات إلى ما انعم اللهعلى بلادنا من مصادر للطاقة المتجددة وضرورة استغلالها وإن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياً سيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهم واستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار,