لماذا يستخدم السيليكون في صناعة الخلايا الشمسية؟

يُستخدم السيليكون بشكل متكرر في الألواح الشمسية كأشباه موصلات نظرًا لأنه مادة فعالة من حيث التكلفة توفر كفاءة مناسبة في استخدام الطاقة. كما أنها تتمتع بمقاومة غير عادية للتآكل، وقوة طويلة الأمد، وميزات تمدد حراري رائعة، وموصلية ضوئية مفيدة، وسمية لا تذكر. 

يوجد السيليكون في الطبيعة بكميات كبيرة، لذلك لا توجد ندرة في المواد الخام اللازمة لصنع مواد السيليكون. السيليكون النقي، الذي تم استغلاله كعنصر كهربائي على مر العصور، هو المكون البدائي للخلية الشمسية. تُسمى الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون عادةً بألواح "الجيل الأول" نظرًا لأن خبرة الخلايا الشمسية السيليكونية حققت أهمية كبيرة في الخمسينيات من القرن العشرين. السيليكون مسؤول عن أكثر من 1950% من سوق الخلايا الشمسية.

إلى جانب كونه واحدًا من أكثر المواد بحثًا، فإن السيليكون البلوري المتوفر هو مادة أشباه الموصلات الرائدة في مجال الإلكترونيات الدقيقة المعاصرة. منذ أن تم إنتاج الدوائر المتكاملة الأولى بكميات كبيرة، زاد تركيز تكامل أشباه الموصلات وأكسيد المعدن المتوازن وانتظام التشغيل بسرعة.

فيما يلي الأسباب الرئيسية لاستخدام السيليكون بشكل شائع في الألواح الشمسية: 

1. السيليكون هو أشباه الموصلات

نظرًا لأنه مادة شبه موصلة بطبيعتها الأساسية، فإن السيليكون البلوري غير الملوث يعد موصلًا ضعيفًا للكهرباء.

للتغلب على هذه المشكلة، يحتوي السيليكون الموجود في الخلية الشمسية على ملوثات، وهي عبارة عن ذرات إضافية تضاف عمدًا إلى ذرات السيليكون لتطوير قدرة السيليكون على تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية.

على سبيل المثال، تحتوي ذرة الغاليوم على إلكترون واحد أقل من ذرة السيليكون، ولكن تحتوي ذرة الزرنيخ الواحدة على إلكترون إضافي واحد. عندما يتم حشر ذرات الزرنيخ في وسط العديد من ذرات السيليكون، يحصل البناء على إلكترونات إضافية بعد تكوين طبقة مملوءة بالإلكترونات.

يتم تنظيم الطلاءات الموجودة في الخلية الشمسية لتشكيل مجال كهربائي. عندما يضرب ضوء الشمس خلية شمسية، فإنه يوقظ الإلكترونات، مما يؤدي إلى ظهور الثقوب.

وبفضل وجود هذا المجال الكهربائي، فإنها تنتقل إلى أقطاب الخلية. تم تصميم الكهرباء في هذه العملية.

تتمتع أشباه الموصلات بإمكانات تقع بين إمكانات الموصل أو العازل. يحتوي على خاصية كهربائية تسمح له بالتوصيل في اتجاه واحد مع عزل الاتجاه المعاكس. 

2. يوفر كفاءة طاقة لائقة

تتمتع الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون بفعالية تزيد عن 20٪. وهذا يعني أن الخلايا الشمسية السيليكونية يمكنها تحويل ما يقرب من 20% من ضوء الشمس الذي تصادفه إلى كهرباء. على الرغم من أن هذا قد يبدو إنتاجيًا منخفضًا، إلا أن الخلايا الشمسية السيليكونية أكثر استخدامًا من الأنواع المختلفة للخلايا الكهروضوئية.

هل هناك مواد أكثر كفاءة من السيليكون يمكنها تقديم نتائج أفضل؟ نعم، السيليكون ليس هو الأكثر كفاءة، وبعض المكونات يمكن أن تعمل بكفاءة أكبر. ومع ذلك، سيكون عليك دفع ثروة مقابل هؤلاء!

من ناحية أخرى، من خلال النظر إلى العديد من العوامل، سنشير إلى أن السيليكون يبدو واحدًا من أفضل المواد.

3. القدرة ترتفع مع تعاطي المنشطات

عندما يتم إصلاح السيليكون مع الملوثات مثل ذرات الغاليوم والزرنيخ، فإن قدرته على الاستيلاء على الطاقة الشمسية وتحويلها إلى كهرباء تتطور بشكل كبير.

4. السيليكون ليس سامًا

هناك عامل آخر يعزز قرار استخدام السيليكون على أي من العناصر المذكورة أعلاه وهو طبيعته غير الضارة. السيليكون له تأثير بيئي ضئيل جدًا نظرًا لأن السيليكون مادة غير ضارة.

هناك عدد لا يحصى من بدائل السيليكون التي يتم فحصها مع التعديل في التكنولوجيا الهندسية. على سبيل المثال، يتم أيضًا مراجعة زرنيخ الغاليوم، وتيلوريد الكادميوم، والنحاس الإنديوم: ديسيلينيد، ومزيج النحاس والإنديوم/الغاليوم ديسيلينيد كمكونات بديلة للسيليكون في الخلايا الشمسية.

ومع ذلك، فإن معظم هذه المواد لها عيوب لا يوجد بها السيليكون، مثل السمية. 

5. السيليكون الشبيه بالكريستال مادة ثابتة

تتمتع الوحدات الكهروضوئية التي تستخدم الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلورية بعمر ممتد في الهواء الطلق يصل إلى أكثر من عقدين من الزمن. وهذا مفيد للقدرة على تحمل تكاليف الطاقة الكهروضوئية لأن الأصول تبدأ الآن في السداد بعد حوالي عقد من الاتصال الأصلي للنظام الكهروضوئي.

6. فعالية التكلفة

هناك مطلب فريد لتوفير المال في المستقبل. على الرغم من وجود تنبؤات بأن تكلفة الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون قد وصلت إلى الحد الأدنى من التكلفة، فقد انخفضت الأسعار بسبب معدل التعلم الذي يبلغ 20% مع منحنى التعلم. (توفير بنسبة 20% في تكلفة تضخيم الطاقة المركبة بالكامل)، والتي من المؤكد أنها ستستمر لفترة طويلة في المستقبل.

7. متاح بحرية

يعد السيليكون أحد أكثر المواد التي يتم استغلالها بشكل متكرر في الخلايا الكهروضوئية. وهو متوفر بكثرة في الطبيعة مثل ثاني أكسيد السيليكون في الحصى والكوارتز، والذي يتم استعادته منه عن طريق تقليل الكربون. في الواقع، يشكل السيليكون ما يقرب من 26% من القشرة الأرضية.

8. الموصلية الضوئية اللائقة

الموصلية الضوئية هي زيادة في التوصيل الكهربائي لبعض المكونات عند تعرضها لضوء طاقة كافٍ. ويتم استخدامه بانتظام لإدراك حدوث الوهج وحساب قوته في الآلات الحساسة للضوء وفهم الإجراءات الداخلية في هذه المواد.

يتمتع السيليكون بموصلية ضوئية غير عادية، مما يجعله خيارًا شائعًا لصنع الخلايا الكهروضوئية. تمتص طبقة ثاني أكسيد السيليكون الطاقة عندما تتعرض للضوء وتحول الفوتونات من ضوء الشمس إلى إلكترونات حرة الحركة يمكنها توليد الكهرباء.

9. أفضل فجوة الحزمة

يحتوي السيليكون على فجوة نطاق رائعة تبلغ 1.1 فولت، وهي قريبة نسبيًا من القيمة الممتازة البالغة 1.34 فولت لإنتاج الكهرباء الشمسية. فجوة النطاق المثالية للسيليكون تجعله اختيارًا مناسبًا للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون نظرًا لأن إنتاج أشباه الموصلات المختلفة ذات فجوات النطاق المماثلة عادة ما يكون أكثر تكلفة.

10. مقاومة التآكل غير عادية

يتمتع السيليكون بمقاومة غير عادية للتآكل بفضل طلاء ثاني أكسيد السيليكون. وهذا يجعلها اختيارًا مناسبًا للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون نظرًا لأنها يجب أن تكون شديدة التحمل في الظروف البيئية المعادية مثل درجات الحرارة القصوى وأشعة الشمس القوية والمياه المالحة.

11. مادة خفيفة الوزن

كما أن السيليكون خفيف الوزن، مما يعني أنه يمكن استخدامه كقاعدة توضع عليها مكونات خلايا السيليكون الشمسية. ليس من السهل العثور على مادة أخرى خفيفة الوزن يمكن أن تحل محل السيليكون نظرًا لخصائصه العضوية الآمنة والمربحة والمقاومة للتآكل.

والآن عرفتم أهمية استخدام السيليكون في الخلايا الشمسية! وبصرف النظر عن كونها اقتصادية للغاية، فإن هذه المادة توفر أفضل إنتاج للطاقة لتشغيل منازلنا ومصانعنا وغير ذلك الكثير!

المنتجات ذات الصلة