آلية تكوين التيار الكهربائي في الخلية الكهروضوئية بالتفصيل


#1

مفاهيم رئيسية ::

الفوتون 

مفهوهه  

 هو وحدة أشعة كهرومغناطيسية , تحوي على كميات مختلفة من الطاقة معتمدة على أطوالها الموجية ; بحيث أنه في الخلية الكهروضوئية مصدر الأشعاع هو الشمس لذلك فإن كمية الإشعاع ستكون كبيرة جداً وبالتالي فإن الطاقة ستكون كبيرة جداً وبالتالي فالطول الموجي لهذه الفوتونات سيكون قصير جداً ; وذلك معتمد على الصيغة الرياضية الآتية 

الصيغة الرياضية 

photon/pv

ميزاته 

معدوم كتلة السكون , معدوم الشحنة الكهربائية , ينتقل في الفراغ بسرعة الضوء 

الإحتمالات الممكن حدوثها لدى سقوط الفوتون على الخلية الكهروضوئية **

absorbed: يُمتص من خلال الخلية ، reflected off: ينعكس ، pass straight : يمر مباشرةً من خلالها 

المواد السليكونية

سبب اختيار السيلكون في تكوين الخلية الكهروضوئية

ناقل ضعيف للكهرباء , عالي التوصيل الحراري , عالي القدرة , الثبات الجيد مع الطقس , بالإضافة هناك الكثير التي سنتطرق لها فيما بعد ..

“التركيب البلوري (الخواص الكيميائية) للسيلكون البلوري” النقي **

إنّ ذرة السيلكون تحوي على 14 إلكترون وهي موزعة على 3 مستويات للطاقة Energy Levels

وأول مستويين وهما القريبين لمركز النواة ممتلئين تماماً بالإلكترونات والمستوى الأخير (وهو الثالث “الخارجي”) نصف ممتلئ أي يحوي على 4 إلكترونات (ولكي تمتلئ فهي بحاجة ل 4 إلكترونات ) ولذلك تلجأ للمشاركة بذرة السيلكون المجاورة لها ( وبذلك تبدو كل ذرة وكأنها تمسك بيد الذرة المجاورة لها ) وبذلك ترتبط ذرات السيلكون مع بعضها البعض وبذلك نرى أن إلكتروناته (مقيدة ) الحركة ليصبح هذا التركيب هامــاً للخلية 

عملية التطعيم Doping 

“التطعيم بشكل عام” بالصور

  doping/pv

doping2/pv

doping3/pv

doping4/pv

d5

doping6/pv

التطعيم بالتفصيل 

كما ذكرنا سابقاً أنّ السيلكون النقي ناقل ضعيف للكهرباء , لذلك لا بد من مزجه بعناصر أخرى ( لإعطاء كفاءة عالية) في إيصال التيار الكهربائي , وهذه العناصر تسمى ب الشوائب

فالطبقة العلوية للخلية تطعم بال (فسفور ) وتسمى ب N-type بحيث نرى أن الفسفور يحوي في مستواه الأخير على 5 إلألكترونات وبذلك سيتشارك مع السيلكون ب 4 إلكترونات ويبقى1ألكترون حر

doping 7/ pv

doping9/pv

أما الطبقة السفلية للخلية فتطعم بالبورون وتسمى ب P-Type بحيث نرى ان البورون في مستواه الاخير يحوي 3 إلكترونات , وبذلك فهو بدلاً من أن يكون لديه إلكترونات حرة فلديه فراغات حرة “خالية من الإلكترونات” وهي تسمى ب الفجوات التي تحمل شحنةموجبة holes 

آليــة تكوين التيار الكهربائي  

principle2/pvprinciple/pv

بنظرة تفصيلية 

principle3/pv

المبدأ العام قائم على ::

( photons in > electrons out )&&

(holes in P-type & electrons in N-type )

PN-junction تشكيل 

في البدء سينتقل الإلكترون من الجزء (السالب) الى الجزء الموجب تاركاً وراءه (أيون موجب) وعندما يقوم بملئ الفجوة الموجودة في الجزء الذي انتقل اليه فإنه سيتكون أيون سالب وبهذا نرى أنّ الالكترونات انتقلت لملئ الفجوات لكنليس كل الإلكترونات تنتقل للملء ولولا ذلك لما كان الترتيب القائم لهذا التركيب هام للخلية ولذلك فإنه سيتشكل مجال كهربائي داخلي من الجزء السالب الى الجزء الموجب للخلية والذي سيعمل بدوره كديوداي سيكون اما سامحا او حتى دافعا للألكترونات بالتدفق بجهة واحدة مما يسمح بالعبور باتجاه واحد , وبعد ما ان قامت الإلكترونات ب ملء الفجوات وتشكل هذا المجال الذي منع انتقال (الإلكترونات والفجوات من مكانها والتي وصلت بذلك لحالة اتزان “استقرار” ) فسيشكل ال PN-junction وهو كحاجز فاصل بين كل من الطبقتين في الخلية

principle3/pv

عند تعرض الخلية لأشعة الشمس

عند سقوط الفوتونات ع. الإلكترونات (بغض النظر عن موضع الإلكترونات فإن الالكترونات ستمتص طاقتها وستصبح حرةالحركة لأنها تغلبت ع.* طاقةband energy*

*عند سقوط الفوتونات ع. n-type*

فإن الإلكترونات الحرة ستنتقل عبر الوصلة المعدنية عبر الحمل الكهربائي تاركا خلفه فجوة متنقلا الى الجزء الموجب ليملء فجوة فيها ما إن يلبث فيها للحظات الا أن يتركها ليقوم المجال الكهربائي الداخلي بعد ذلك بدفعه الى موضعه الأصلي مما يؤدي هذا الإنتقال المستمر للإلكترون بتشكيل جهد كهربائي خارجي معاكس للمجال الكهربائي الداخلي مما يؤدي لسريان تيار كهربائي 

ملخص مسار الألكترون …

 PN-junction من الجزء السالب عبر الحمل الكهربائي الى الجزء الموجب عبر إلى الجزء السالب “الفجوة التي صنعها نتيجة انتقاله أي إلى موضعه الأصلي .

 ولتمكين ما قيل تم انتقاء بعض اليوتيوب التي تشرح بشكل عاموبشكل خاص آلية عمل الخلية الشمسية وتكوين التيار الكهربائي لها 

الزمن المستغرق لمتابعة كافة الروابط (~22د) :: مشاهدة ممتعة

الروابط