الألواح الشمسية الكهروضوئية:
عبارة عن أقراص رقيقة من السيليكون تحول ضوء الشمس إلى كهرباء، تعمل هذه الأقراص كمصادر للطاقة لمجموعة متنوعة من الاستخدامات، بما في ذلك الآلات الحاسبة والأجهزة الصغيرة الأخرى كالاتصالات السلكية واللاسلكية، أيضاً الألواح على السطح في المنازل الفردية وللإنارة والضخ والتبريد الطبي للقرى في البلدان النامية.
تاريخ صناعة الألواح الشمسية:
تُستخدم الألواح الشمسية على شكل صفائف كبيرة لتشغيل الأقمار الصناعية، وفي حالات نادرة لتوفير الكهرباء لمحطات الطاقة، عندما بدأ البحث في الكهرباء وصنع البطاريات البسيطة ودراستها، تبع البحث في الكهرباء الشمسية بسرعة مذهلة، وفي وقت مبكر من عام 1839 كشف أنطوان سيزار بيكريل بطارية كيميائية إلى الشمس لرؤيتها تنتج الجهد.
كان هذا التحويل الأول لضوء الشمس إلى كهرباء فعالاً بنسبة واحد بالمائة، أي أن واحد بالمائة من ضوء الشمس الوارد تم تحويله إلى كهرباء، اكتشف ويلوبي سميث في عام 1873 أنّ السيلينيوم حساس للضوء، وفي عام 1877 لاحظ آدمز وداي أنّ السيلينيوم عند تعرضه للضوء، ينتج تيار كهربائي، استخدم تشارلز فريتس في ثمانينيات القرن التاسع عشر السيلينيوم المطلي بالذهب لصنع أول لوح شمسي.
اعتبر فريتس أن خلاياه ثورية، لقد تصور الطاقة الشمسية المجانية لتكون وسيلة لتحقيق اللامركزية وتوقع أنّ الألواح الشمسية ستحل محل محطات الطاقة مع مساكن تعمل بالطاقة الفردية، مع تفسير ألبرت أينشتاين في عام 1905 للتأثير الكهروضوئي، حيث يمتص المعدن الطاقة من الضوء وسيحتفظ بهذه الطاقة حتى يضربها الكثير من الضوء.
تم إحراز القليل من التقدم إلى أن أسفرت الأبحاث عن الثنائيات والترانزستورات عن المعرفة اللازمة لعلماء بيل جوردون بيرسون وداريل تشابين وكال فولر، لإنتاج لوح شمسي من السيليكون بكفاءة 4% في عام 1954، رفع العمل الإضافي كفاءة اللوح بنسبة تصل إلى 15 بالمائة، تم استخدام الألواح الشمسية لأول مرة في مدينة أميريكوس الريفية كمصدر للطاقة لنظام ترحيل الهاتف، حيث تم استخدامها بنجاح لسنوات عديدة.
مواد أولية لصناعة الألواح الشمسية:
المكون الأساسي للوح الشمسي هو السيليكون النقي وهو ليس نقي في حالته الطبيعية، لتصنيع الألواح الشمسية يتم وضع المواد الخام مثل ثاني أكسيد السيليكون، أولاً في فرن القوس الكهربائي، حيث يتم تطبيق قوس الكربون لإطلاق الأكسجين. المنتجات هي ثاني أكسيد الكربون والسيليكون المصهور، في هذه المرحلة لا يزال السيليكون غير نقي بدرجة كافية لاستخدامه في الخلايا المنفردة ويتطلب التنقية.
يُشتق السيليكون النقي من ثاني أكسيد السيليكون مثل حصى الكوارتز أو الكوارتز المسحوق، ثم يتم معالجة السيليكون النقي الناتج بالفوسفور والبورون لإنتاج فائض من الإلكترونات ونقص في الإلكترونات على التوالي، لصنع أشباه موصلات قادرة على توصيل الكهرباء، أقراص السيليكون لامعة وتتطلب طلاء مضاد للانعكاس عادة ما يكون ثاني أكسيد التيتانيوم.
كيفية تصنيع الألواح الشمسية:
تنقية السيليكون:
يتم تنقية 99 في المائة من السيليكون النقي بشكل أكبر باستخدام تقنية المنطقة العائمة، يتم تمرير قضيب من السيليكون غير النقي عبر منطقة ساخنة عدة مرات في نفس الاتجاه، هذا الإجراء يسحب الشوائب باتجاه طرف واحد مع كل تمريرة عند نقطة معينة، يعتبر السيليكون نقي ويتم إزالة النهاية غير النقية.
صنع السيليكون أحادي البلورة:
الخلايا الشمسية مصنوعة من كرات السيليكون وهي هياكل متعددة الكريستالات، لها التركيب الذري لبلورة واحدة، تسمى العملية الأكثر استخدام لإنشاء الكرة بطريقة (Czochralski)، في هذه العملية يتم غمس بلورة بذرة من السيليكون في سيليكون متعدد البلورات مذاب.
عندما يتم سحب بلورة البذور وتدويرها يتم تكوين سبيكة أسطوانية من السيليكون، السبيكة المسحوبة نقية بشكل غير عادي؛ لأن الشوائب تميل إلى البقاء في السائل.
صنع رقائق السيليكون:
يتم تقطيع رقائق السيليكون واحدة تلو الأخرى باستخدام منشار دائري يقطع قطره الداخلي إلى القضيب، أو العديد منها في وقت واحد باستخدام منشار متعدد الأسلاك، يتم فقد نصف السليكون فقط من البولين إلى الرقاقة الدائرية النهائية، تُستخدم الرقائق المستطيلة أو السداسية في الألواح الشمسية؛ لأنه يمكن تركيبها بشكل مثالي، بالتالي الاستفادة من كل المساحة المتاحة على السطح الأمامي للخلية الشمسية.
بعد التنقية الأولية يتم تنقية السيليكون بشكل أكبر في عملية المنطقة العائمة، في هذه العملية يتم تمرير قضيب من السيليكون عبر منطقة ساخنة عدة مرات، يمكن بعد ذلك إزالة النهاية غير النقية، بعد ذلك توضع بلورة بذور السيليكون بجهاز النمو، حيث يغمس في السيليكون متعدد البلورات المذاب، حيث تدور بلورة البذرة أثناء سحبها مكونة سبيكة أسطوانية من السيليكون النقي للغاية.
تنشيط السيليكون:
الطريقة التقليدية لتنشيط رقائق السيليكون بالبورون والفوسفور، هي إدخال كمية صغيرة من البورون أثناء عملية تشوكرالسكي، يتم بعد ذلك إحكام غلق الرقائق من الخلف إلى الخلف ووضعها في فرن ليتم تسخينها إلى ما دون درجة انصهار السيليكون بقليل في وجود غاز الفوسفور، إنّ ذرات الفوسفور تحفر داخل السيليكون وهو أكثر مسامية؛ لأنّه يقترب من أن يصبح سائلاً.
تركيب نقاط التلامس الكهربائية:
التوصيلات الكهربائية تربط كل لوح شمسي بآخر وبمستقبل التيار الناتج، يجب أن تكون جهات الاتصال رفيعة حتى لا تحجب ضوء الشمس عن اللوح، يتم تبخير المعادن مثل البلاديوم أو الفضة والنيكل والنحاس بالتفريغ.
يتم تغليف الخلايا في أسيتات فينيل الإيثيلين وتوضع في إطار معدني وغطاء زجاجي، بعد وضع جهات الاتصال في مكانها توضع شرائط رفيعة بين الألواح، الشرائط الأكثر استخدام هي النحاس المطلي بالقصدير.
طلاء مضاد للانعكاس:
لأنّ السيليكون النقي لامع، فيمكنه عكس ما يصل إلى 35 بالمائة من ضوء الشمس لتقليل كمية ضوء الشمس المفقود، يتم وضع طلاء مضاد للانعكاس على رقاقة السيليكون، الطلاء الأكثر شيوعاً هو ثاني أكسيد التيتانيوم وأكسيد السيليكون، على الرغم من استخدام البعض الآخر، يتم تسخين المادة المستخدمة للطلاء إما حتى تغلي جزيئاتها وتنتقل إلى السيليكون وتتكثف أو تتعرض المادة للرش.
تغليف اللوح الشمسي:
يتم تغليف الألواح الشمسية النهائية مختومة في مطاط السيليكون أو أسيتات فينيل الإيثيلين، يتم بعد ذلك وضع الألواح الشمسية المغلفة في إطار من الألمنيوم يحتوي على مايلر أو صفيحة خلفية مدلار وغطاء زجاجي أو بلاستيكي، تعد مراقبة الجودة مهمة في تصنيع الألواح الشمسية؛ لأن التناقض في العديد من العمليات والعوامل يمكن أن يؤثر سلباً على الكفاءة الكلية للألواح.
الهدف الأساسي من البحث هو إيجاد طرق لتحسين كفاءة كل لوح شمسي على مدى عمر أطول، رعى مشروع المصفوفة الشمسية منخفضة التكلفة بحث خاص يهدف إلى خفض تكلفة الألواح الشمسية، يتم اختبار السيليكون نفسه من حيث النقاء والتوجه البلوري والمقاومة، يقوم المصنعون باختبار وجود الأكسجين.
