لماذا يستخدم السيليكون في الخلايا الشمسية؟

الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة على الأرض وتنتج الطاقة لمليارات السنين.

تعتبر الحرارة وضوء الشمس و الطاقة الشمسية من أنظف مصادر الطاقة المتجددة وأكثرها وفرة.

يتم الحصول على السيليكون عن طريق الاختزال الحراري للسيليكا أو ثاني أكسيد السيليكون في وجود الكربون. من الشروط الأساسية لنمو السيليكون البلوري من المواد الخام توافر السيليكون بأعلى درجة نقاء يمكن تحقيقها.

لتشكيل خلية شمسية ، يتم وضع هذين النوعين من أشباه الموصلات على اتصال مع بعضهما البعض.

في منطقة التلامس ، تتحد الإلكترونات الإضافية في أشباه الموصلات من النوع n مع الثقوب الإضافية في أشباه الموصلات من النوع p.

عندما يحدث هذا المزيج من الإلكترونات والثقوب ، يترك فقدان الإلكترونات سالبة الشحنة أيونات موجبة في المادة من النوع n ، ويترك استنفاد الثقوب أيونات سالبة في المادة من النوع p.

يؤدي تراكم الشحنات هذا بالقرب من الواجهة (“منطقة النضوب”) إلى إنشاء مجال كهربائي بين مادتين من النوع n والنوع p مما يوقف أي مجموعة أخرى من الإلكترونات والثقوب.

إذا حاول إلكترون من مادة من النوع n اختراق هذا الحاجز ، فسيتم صده بواسطة الشحنات السالبة للمادة من النوع p وسيتم صد الثقوب بواسطة الشحنات الموجبة للمادة من النوع n. يعمل هذا الحاجز كجدار يبقي الإلكترونات على الجانب n والثقوب في الجانب p.

يسمى هذا الحاجز تقاطع p – n. عندما يضرب ضوء الشمس التقاطع p-n بطاقة أكبر من طاقة فجوة النطاق للسيليكون ، يتم ترقية الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، مما يؤدي إلى توليد زوج من الثقوب الإلكترونية مع طاقة كامنة مختلفة.

نظرًا لأن مجالًا كهربائيًا قد تم إنشاؤه عند التقاطع ، فإن الإلكترون سيتحرك باتجاه الجانب n والفتحة باتجاه الجانب p. إذا كانت الخلية الشمسية متصلة عبر أسلاك بدائرة خارجية ، فإن الإلكترونات تنتقل إلى نقطة التلامس مع المادة من النوع n وتمر عبر الدائرة الخارجية لتصل إلى الجانب p ، حيث تتحد مجددًا مع الثقوب.

هذا التدفق للإلكترونات هو التيار ، ومن خلال وضع ملامسات معدنية على أعلى وأسفل الخلية الشمسية ، يمكن سحب التيار للاستخدامات الخارجية مثل تشغيل جهاز كهربائي.

تُستخدم الألواح الشمسية لدمج الطاقة التي تنتجها العديد من هذه الخلايا لتكوين كمية مفيدة من التيار الكهربائي والجهد. يتم الجمع بين العديد من الألواح الشمسية لإنشاء مجموعة شمسية للاستخدام السكني والتجاري.

نظرًا لأن التيار الناتج عن خلية شمسية أو لوحة شمسية هو تيار مباشر (DC) ، فإن المصفوفات الشمسية متصلة بعاكس لتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب.

تُستخدم هذه اللوحات لتزويد الطاقة لمجموعة متنوعة من الأنظمة ، مثل: الآلات الحاسبة وأضواء الشوارع وعدادات وقوف السيارات والأجهزة المنزلية إلى المحطات الفضائية. كما أنها تستخدم مع مصادر أخرى للطاقة ، مثل الرياح والغاز الطبيعي والطاقات النووية.