كيفية صناعة الخلايا الشمسية

الطّاقة الشمسيّة

يُعدّ الوقود الأحفوريّ الوسيلة الرّئيسة لتوليد الطّاقة الكهربائيّة؛ منذ اكتشاف الكهرباء وحتّى الوقت الحاليّ؛ فمعظم إنتاج الطّاقة في العالم يعتمد اعتماداً رئيسيّاً عليه، إلّا أنّه ليس من المصادر الدّائمة لتوليد الطّاقة الكهربائيّة، فمن الممكن أن يَنضَب هذا المصدر في النّهاية، هذا بالإضافة إلى المشاكل الأخرى التي يسبّبها توليد الطّاقة الكهربائيّة من هذا المصدر من مشاكل بيئيّةٍ، وتذبذُبٍ في أسعار الطّاقة وغلائها؛ ويرجع هذا إلى التّكلفة العالية لاستخراج النّفط، ونقله، وتوليد الطّاقة باستخدامه، وتغيُّر سعره على الدّوام، ونظراً لازدياد الوعي في الآونة الأخيرة؛ أصبح النّاس يُدرِكون ضرورة التوجُّه إلى مصادر الطّاقة النظيفة والدائمة لتوليد الطّاقة الكهربائيّة، مثل: طاقة الرّياح، والطّاقة الشمسيّة، وغيرها من أنواع الطّاقة المختلفة.[1]

تستقبل الأرض ما يقارب 173×10^12 كيلوواط من الطّاقة الشمسيّة في السّاعة الواحدة، إلا أنّ جزءاً من هذه الطّاقة يُعكَسُ بواسطة الغيوم، والمحيطات، واليابسة، ويُستخدَم جزء آخر لتبخُّر مياه المسطّحات المائيّة، وتُستَغلّ الطّاقة الشمسيّة بعدّة طُرق؛ حيث تُستَخدَم في أنظمة التّدفئة، والتّزويد بالحرارة، بالإضافة إلى تحويل الطّاقة الشمسيّة إلى طاقةٍ حراريّةٍ باستخدام الخلايا الشمسيّة،[2] وتُعدّ الطّاقة الشمسيّة من أقدم مصادر الطّاقة الموجودة على سطح الأرض؛ فقد صُنِع أوّل فرنٍ يستخدم الطّاقة الشمسيّة في عام 1772م على يد العالم أنطوان لافوزييه.[3]

الخلايا الشمسيّة

الخلايا الشمسيّة (بالإنجليزيّة: Solar Cells) هي ألواح كهروضوئيّة، تُحوِّل الطّاقة الشمسيّة إلى طاقةٍ كهربائيّةٍ؛ عن طريق التأثير الفوتوضوئيّ؛ بحيث تُصنَع الخليّة من موادَّ شبهِ موصلةٍ، ممّا يُكسِبها خصائص كهربائيّة عند تعرُّضها إلى الضّوء، مثل: التيّار الكهربائيّ، والمقاوَمة، والجهد، ويجب أن تكون الخليّة الشمسيّة أيضاً قادرةً على امتصاص الضّوء، وإنتاج الإلكترونات،[1] وتتراوح الأعمار الافتراضيّة للخلايا الشمسيّة على اختلاف أنواعها ما بين 10-30 سنةً.[4]

كيفيّة صناعة الخلايا الشمسيّة في المنزل

بالإمكان صناعة الخلايا الشمسيّة في المنزل باستخدام أكسيد النّحاس الأحاديّ (Cu₂O) كمادّةٍ شبه موصلةٍ، فيكون هو القطبَ السّالبَ في الخليّة، أمّا النّحاس فيكون القطب الموجب.[5]
الأدوات المُستخدَمة:

• صفيحة نحاسيّة.


• ورقة صنفرةٍ.


• ميكروأميتر؛ لقياس التيّار الكهربائيّ.


• عبوة بلاستيكيّة كبيرة، أو وعاء زجاجيّ.


• أسلاك، أو لواقط للتّوصيل.


• ملح.


• ماء.


• سخّان كهربائيّ.


• مقصّ معادن.

خطوات صناعة الخلايا الشمسيّة في المنزل:
لتصنيع خليّةٍ شمسيّةٍ منزليّةٍ تُتَّبَع الخطوات الآتية:[5]

• قصّ صفيحة النّحاس باستخدام مقصّ المعادن بحجمٍ ملائمٍ لحجم المصدر الحراريّ الذي ستوضَع فوقَه.


• تنظيف صفيحة النُّحاس بعد قصِّها باستخدام صابون أو مطهّرٍ خاصٍّ؛ لإزالة أيّة مادّةٍ دهنيّةٍ مُلتصقةٍ بها، ثمّ تنظيفها بورق الصّنفرة؛ لإزالة التّآكل الحاصل عليها، بالإضافة إلى كبريتيد النّحاس المُتكوذِن على سطحها.


• وضع الصّفيحة على درجة حرارةٍ عاليةٍ على السخّان الكهربائيّ، سَيُلاحظ تلوُّن النّحاس بألوانٍ مُتعدِّدةٍ؛ نتيجة التأكسد، مثل: اللون الأحمر، والبرتقاليّ، والأرجوانيّ، وعندما تسخن الصّفيحة كاملةً يتحوّل لونها إلى الأسود؛ بسبب تكوُّن أكسيد النّحاس.


• تُترَك الصّفيحة على السخّان مدّة نصف ساعةٍ؛ بهدف تكثيف الطّبقة السوداء على سطحها، ثمّ تُترَك القطعة على الغاز بعد إطفائه حتّى تبرد ببطءٍ، بعدها تنكمش الصّفيحة النحاسيّة والطّبقة السوداء المتكوِّنة فوقها.


• إزالة الطّبقة السّوداء المتكوّنة؛ بفركها باليد بخفّةٍ تحت الماء، ومن الجدير بالذّكر أنّه يجب تجنُّب كشط هذه الطبقة باستخدام الأدوات الحادّة؛ لتجنب تلف طبقة أكسيد النّحاس الأحاديّ الحمراء المتكوّنة.


• إحضار صفيحةٍ نحاسيّةٍ أخرى، وقطعها بحجم الصّفيحة الأولى نفسه.


• طيّ الصّفيحتين النّحاسيّتين بشكلٍ يُلائم العبوة البلاستيكيّة، بحيث يكون وجه أكسيد النحاس الأحاديّ المتكوّن على الصّفيحة الأولى إلى خارج العبوة، مع ملاحظة تجنذُب ملامسة الصّفيحتين لبعضهما البعض.


• وَصْلُ القطب الموجب للميكروأميتر مع صفيحة النّحاس، ووصل القطب السّالب مع صفيحة أكسيد النّحاس الأحاديّ باستخدام لواقط التّوصيل.


• مزج الماء السّاخن مع ملعقتَين من الملح، ثمّ سكب المزيج في العبوة، مع تجنُّب غمر الصّفيحتين غمراً كاملاً؛ لمنع ملامَسة لواقط التّوصيل للماء، فتُترَك مسافة إنش واحدٍ تقريباً.

عند اصطدام الأشعّة الشمسيّة بالإلكترونات الموجودة على سطح صفيحة أكسيد النّحاس الأحاديّ، تكتسب الإلكترونات طاقةً كافيةً تجعلها حرّة الحركة، ممّا يؤدّي إلى تحرُّكها في الماء المالح، وانتقالها عبر صفيحة النّحاس إلى الأسلاك الكهربائيّة، لذا تتحرّك إبرة الميكروأميتر، وقد تُعطي قراءةً تتراوح بين 30-50 ميكروأمبير؛ عند تعريض الخليّة لأشعّة الشمس، وقراءة تتراوح بين 0.5-0.6 ميكروأمبير عند وضع الخليّة في الظلّ.[5]

أنواع الخلايا الشمسيّة وكيفيّة تصنيعها

الجيل الأوّل من الخلايا الشمسيّة

تُصنَع الخلايا الشمسيّة بشكلٍ عامٍّ من موادّ شبه موصلةٍ، مثل: السّيليكون البلوريّ؛ حيث شكّل إنتاج هذا النّوع ما يقارب 90% من صناعة الخلايا الشمسيّة في عام 2013م،[4] ويعود السّبب في استخدام السّيليكون بكثرةٍ في صناعة الخلايا الشمسيّة لأنّه من الموادّ المتوفّرة بشكلٍ كبيرٍ في الطبيعة، وبسبب ثمنه المعقول. ويشمل الجيل الأوّل من الخلايا الشمسيّة؛ الخلايا السيليكونيّة (بالإنجليزيّة: Silicon Solar cells)، بنوعيها:[1]

• الخلايا السيليكونيّة أحاديّة التبلور (بالإنجليزيّة: Monocrystalline Solar Cells): تتكوّن هذه الخلية من بلّورةٍ سيليكونيّةٍ واحدةٍ، وتصل كفاءة هذا النوع من الخلايا إلى 17-18%؛[6] أي أنّها تستطيع تحويل 17-18% من الأشعة السّاقطة عليها إلى طاقةٍ كهربائيّةٍ.


• الخلايا السيليكونيّة ثنائيّة التّبلور (بالإنجليزيّة: Polycrystalline Solar Cells): تتكوّن من بلوراتٍ مختلفةٍ، وتُصنَع عن طريق صهر السّيليكون، ووضعه في قوالب جرافيتيّةٍ، ومن ثمّ تبريده، وقد بلغت نسبة إنتاج هذه الخلايا حوالي 48% من الإنتاج العالميّ في عام 2008م، وتتراوح كفاءة هذا النوع ما بين 12-14%.[6]

تبدأ عمليّة تصنيع الخلايا السيليكونيّة بشكلٍ عامٍّ بصناعة البولي سيليكون (بالإنجليزيّة: Polysilicon Manufacturing)؛ إذ تُعدّ مادّة البولي سيليكون هي المادّة الأساسيّة لصناعة أشباه الموصلات، وهي عبارة عن سيليكون شديد النّقاوة، وتُعادل كلفته ربعَ كلفة تصنيع الخلايا الشمسيّة كاملةً، وبعد ذلك يُسخَّن هذا السيليكون إلى درجة الانصهار، ثمّ يُضاف عنصر البورون إليه؛ لتكوين شبه الموصل الموجب (P-type semiconductor) والذي يحمل الشّحنة الموجبة، بعد ذلك تُشكَّل على شكل كتلٍ باستخدام الصبّ أو الطّرق، ثمّ تُقطَّع هذه الكتل إلى شرائح رقيقةٍ باستخدام المناشير السلكيّة بأبعادٍ مُتعارَفٍ عليها، وهي: (5×5) إنش، أو (6×6) إنش؛ بشكلٍ دائريٍّ، أو مستطيلٍ طوليٍّ أو عرضيّ،[4] ومن ثمّ تُنَظَّف الألواح، وتوضَع في أفرانٍ للفسفور، لتُنثَر مادّة الفسفور على جوانب الرّقاقات؛ لتكوين طبقةٍ من أشباه الموصِلات السّالبة.(N-type semiconductors).[7]

تُقلَّل انعكاسيّة أشعّة الشّمس السّاقطة على الخليّة، عن طريق رشّ الرّقاقات بطبقاتٍ متعدّدةٍ من الموادّ الكيميائيّة، أو بجعل السّطح أكثر خشونةً؛ لتقليل الانعكاس، وزيادة المساحة التي تسقط عليها الأشعّة،[4] بعدها تبدأ مرحلة طبع الموصِلات الكهربائيّة على الجزء السّالب من الرّقاقة، ودهن ظهرها بمادّة الألومنيوم، ومن ثمّ اختبار الرّقاقات وتجميعها في مصانع أخرى على شكل ألواحٍ شمسيّةٍ، ووضع طبقاتٍ زجاجيّةٍ خاصّةٍ؛ لحماية الرقاقات، وزيادة القدرة الامتصاصية لها، وتقليل الانعكاس.[7]

الجيل الثاني من الخلايا الشمسيّة

تشمل خلايا الجيل الثاني من الخلايا الشمسيّة الخلايا المورفيّة أو خلايا الفيلم الرّفيع (بالإنجليزيّة: Thin-Film Solar Cells)، ويتميّز هذا النّوع من الخلايا بأنّه اقتصاديّ أكثر من الخلايا السيليكونيّة أُحاديّة وثنائيّة التبلور؛ إذ تُستخدَم موادّ أقلّ لتصنيعه، إلا أنّه أقلّ كفاءةً من الأنواع الأخرى، وتُقسَم هذا الخلايا إلى:[1][6]

• الخلايا المورفيّة السيليكونيّة (بالإنجليزيّة: Amorphous Silicon Thin Film (a-Si) Solar Cell): تتميّز هذه الخلايا بأنّها غير بلوريّةٍ، وهي النّوع الموجود في الآلات الحاسبة، ويُصنَع هذا النّوع من الخلايا عند درجات حرارةٍ منخفضةٍ تصل إلى 75 درجةً سليسيةً؛ حيث تُرسَّب مادّة السّيليكون على شكل طبقاتٍ رقيقةٍ؛ يصل سمكها إلى ميكرومتر واحدٍ على أسطحٍ مصنوعةٍ من البلاستيك، وقد تقلّ كفاءة هذا النوع من الخلايا مع الزّمن؛ حيث تتراوح قيمة كفاءة الخليّة ما بين 4-8%، إلا أنّها قادرة على العمل عند درجات حرارةٍ مرتفعةٍ، وأثناء تغيُّر الظروف الجويّة؛ أي أنّها قادرة على العمل في الأيّام التي يقلّ فيها ظهور الشّمس.


• خلايا تيلوريد الكادميوم المورفية (بالإنجليزيّة: Cadmium Telluride (CdTe) Thin Film Solar Cell): يحتوي هذا النّوع على طبقةٍ رقيقةٍ من تيلوريد الكادميوم؛ لتحويل الأشعة الشمسيّة إلى طاقةٍ كهربائيّةٍ، وتبدأ عمليّة التصنيع بصُنع خلايا تيلوريد الكادميوم من موادّ كريستاليّةٍ؛ بحيث يكون الزّجاج هو الرّكيزة الأساسيّة للخلية، ثمّ يُطلى الزُّجاج بطبقات تيلوريد الكادميوم، ويتميّز هذا النّوع بمرونته، وتتراوح كفاءته بين 9-11%، إلا أنّ المخاطر البيئيّة المتعلّقة بعنصر الكادميوم، وإمكانيّة ترسُّبه داخل أجسام الكائنات الحيّة يجعله من العناصر الستّة السامّة والمُسبِّبة للموت على وجه الأرض، ممّا يحدّ من استخدامه في صناعة الخلايا الشمسيّة.


• الخلايا المورفيّة النحاس-الإنديوم-الجاليوم-دي سيلينايد (بالإنجليزيّة: Copper Indium Gallium Di-Selenide (CIGS) Solar Cells): تتراوح فعاليّة هذه الخلايا بين 10-12%، وتُصنَع عن طريق ترسيب طبقةٍ رقيقةٍ من النّحاس، والإنديوم، والجاليوم، والسيلينيوم على طبقةٍ من الزّجاج أو البلاستيك، مع وضع أقطابٍ كهربائيّةٍ أمام الخليّة وخلفها؛ لتجميع التيّار الكهربائيّ؛ ونظراً لارتفاع معامل الامتصاص لهذا النّوع من الخلايا، فإنّ طبقةً رقيقةً منها قادرة على امتصاص أشعّة الشّمس بفعاليّةٍ مقارنةً بالأنواع الأخرى.

الجيل الثّالث من الخلايا الشمسيّة

يشمل هذا الجيل الأنواع الجديدة التي ما زالت قيدَ البحث والتّطوير، ولم تصل إلى مرحلة التّصنيع التجاريّ، وتشمل الأنواع الآتية:[6]

• الخلايا الشمسيّة النانويّة (بالإنجليزيّة: Nano Crystal Based Solar Cells): يقوم مبدأ عمل هذه الخلايا على تصنيع بلوراتٍ من موادّ شبه موصلةٍ؛ بأبعادٍ صغيرةٍ جداً، تُقاس بالنانومتر، وتتراوح كفاءتها بين 7-8%.


• الخلايا الشمسيّة البوليمريّة (بالإنجليزيّة: Polymer Based Solar Cells): تُصنَع هذه الخلايا عن طريق استخدام مادّةٍ بوليميريّةٍ قادرةٍ على امتصاص الأشعة الشمسيّة، وتتراوح كفاءتها بين 3-10%، ولا تعمل جيّداً عند درجات الحرارة العالية، ولكنّ كلفتها أقلّ بنسبة 50% من الخلايا الشمسيّة السيليكونيّة.


• الخلايا الشمسيّة الصبغيّة (بالإنجليزيّة: Dye Sensitized Solar Cells): تُصنَع هذه الخلايا بأربعة أجزاء، وهي: طبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم المُكوِّنة لشبه الموصل السّالب، وطبقة رقيقة من أكسيد النّيكل الثنائي المكوّن لشبه الموصل الموجب، والمادّة الصبغيّة الحسّاسة للضوء، وتوضَع بين قطبَي الخليّة، وشريحة مصنوعة من مادّة البلاتين أو الكربون، وتصل كفاءتها إلى 10% تقريباً، لكنّها تحتاج وقتاً كبيراً للتّركيب بالمقارنة مع الأنواع الأخرى.


• الخلايا الشمسيّة المُركّزة (بالإنجليزيّة: Concentrated Solar Cells): يقوم مبدأ عمل هذه الخلايا على استخدام العديد من المرايا والعدسات؛ لإنتاج طاقةٍ حراريّةٍ عاليةٍ، تنتقل إلى المحرّكات الحراريّة، وتصل كفاءتها إلى 40%، وتتميّز بأنّها مُستقرّة حراريّاً.

فيديو نفط من النفايات

بالتأكيد سمعت عن الطاقة المتجددة، لكن بعض مصادرها غير متوقعة على الإطلاق :