إنتاج الخلايا الكهروضوئية للألواح الشمسية

دائمًا ما يكون أساس أي تركيب كهروضوئي هو الوحدة الكهروضوئية. الوحدة الكهروضوئية هي مزيج من الخلايا الكهروضوئية المتصلة كهربائيًا معًا. يتكون المصطلح الكهروضوئية من كلمتين «صورة» (من اليونانية. Light) و «فولت» (Alessandro Volta - 1745-1827 ، فيزيائي إيطالي) - وحدة قياس للجهد في الهندسة الكهربائية. عند تحليل مصطلح الطاقة الكهروضوئية ، يمكننا القول - إنه كذلك تحويل الضوء إلى كهرباء.

تُستخدم الخلية الكهروضوئية (الخلية الشمسية) لتوليد الكهرباء عن طريق تحويل الإشعاع الشمسي. يمكن اعتبار الخلية الكهروضوئية على أنها صمام ثنائي مكون من أشباه موصلات من النوع n و p من النوع مع منطقة مستنفدة للناقل ، لذا فإن الخلية الكهروضوئية غير المضيئة تشبه الصمام الثنائي ويمكن وصفها بأنها الصمام الثنائي.

بالنسبة لأشباه الموصلات التي يتراوح عرضها بين 1 و 3 فولت ، يمكن الوصول إلى الحد الأقصى من الكفاءة النظرية إلى 30٪. فجوة النطاق هي الحد الأدنى من طاقة الفوتون التي يمكنها رفع إلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. الخلايا الشمسية التجارية الأكثر شيوعًا هي عناصر الصوان.

بلورات السيليكون وأحادي البلورات. يعد السيليكون اليوم أحد العناصر الأكثر شيوعًا لإنتاج الوحدات الكهروضوئية. ومع ذلك ، نظرًا لانخفاض امتصاص الإشعاع الشمسي ، فإن الخلايا الشمسية المصنوعة من الكريستال السليكوني عادة ما تكون بعرض 300 ميكرومتر. تصل كفاءة الخلية الكهروضوئية أحادية السليكون إلى 17٪.

إذا أخذنا خلية ضوئية من السيليكون متعدد الكريستالات ، فإن فعاليتها تكون أقل بنسبة 5٪ من تلك الموجودة في السيليكون أحادي البلورية. حدود الحبيبات للبلورات المتعددة هي مركز إعادة التركيب لحاملات الشحنات. يمكن أن يختلف حجم بلورات السليكون متعدد البلورات من بضعة مم إلى واحد سم.

زرنيخيد الغاليوم (GaAs). أثبتت الخلايا الشمسية من زرنيخيد الغاليوم كفاءة بنسبة 25٪ في ظروف المختبر. من الصعب إنتاج زرنيخيد الغاليوم ، الذي تم تطويره للإلكترونيات الضوئية ، بكميات كبيرة ومكلف للغاية بالنسبة للخلايا الشمسية. يتم تطبيق الخلايا الشمسية زرنيخيد الغاليوم جنبًا إلى جنب مع المكثفات الشمسية، وكذلك للملاحة الفضائية.

تقنية الخلايا الضوئية ذات الأغشية الرقيقة. العيب الرئيسي لخلايا السيليكون هو تكلفتها العالية. تتوفر خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون غير المتبلور (a-Si) أو الكادميوم تيلورايد (CdTe) أو ثنائي سيلينيد النحاس والإنديوم (CuInSe2). ميزة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هي توفير المواد الخام وإنتاج أرخص مقارنة بخلايا السيليكون الشمسية. لذلك ، يمكننا القول أن منتجات الأغشية الرقيقة لها احتمالات لاستخدامها في الخلايا الضوئية.

الجانب السلبي هو أن بعض المواد سامة للغاية ، لذلك تلعب سلامة المنتج وإعادة التدوير دورًا مهمًا. بالإضافة إلى ذلك ، يعد التيلورايد موردًا مستنفدًا مقارنة بالسيليكون.تصل كفاءة الخلايا الضوئية ذات الأغشية الرقيقة إلى 11٪ (CuInSe2).

في أوائل الستينيات ، كلفت الخلايا الشمسية ما يقرب من 1000 دولار / واط من طاقة الذروة وتم تصنيعها في الغالب في الفضاء. في سبعينيات القرن الماضي ، بدأ الإنتاج الضخم للخلايا الكهروضوئية وانخفض سعرها إلى 100 دولار / واط. وقد أتاح المزيد من التقدم وانخفاض سعر الخلايا الضوئية إمكانية استخدام الخلايا الكهروضوئية لتلبية الاحتياجات المنزلية. وخاصة بالنسبة لجزء من السكان الذين يعيشون بعيدًا عن خطوط الكهرباء و إمدادات الطاقة القياسية ، أصبحت الوحدات الكهروضوئية بديلاً جيدًا.

تُظهر الصورة أول خلية شمسية قائمة على السيليكون. تم إنشاؤه بواسطة علماء ومهندسين من شركة Bell Laboratories الأمريكية في عام 1956. الخلية الشمسية عبارة عن مجموعة من الوحدات الكهروضوئية المتصلة كهربائيًا ببعضها البعض. يتم اختيار المجموعة اعتمادًا على المعلمات الكهربائية المطلوبة مثل التيار والجهد. خلية واحدة من هذه البطارية الشمسية ، تنتج أقل من 1 واط من الكهرباء ، تكلف 250 دولارًا. كانت الكهرباء المنتجة أغلى مائة مرة من تكلفة الشبكة التقليدية.

منذ ما يقرب من 20 عامًا ، تم استخدام الألواح الشمسية فقط في الفضاء. في عام 1977 ، تم تخفيض تكلفة الكهرباء إلى 76 دولارًا لكل واط خلية. زادت الكفاءة تدريجياً: 15٪ في منتصف التسعينيات و 20٪ بحلول عام 2000. البيانات الحالية الأكثر صلة بهذا الموضوع -كفاءة الخلايا والوحدات الشمسية

يمكن تقسيم إنتاج خلايا السيليكون الشمسية تقريبًا إلى ثلاث مراحل رئيسية:

• إنتاج السيليكون عالي النقاء ؛

• صنع غسالات سيليكون رقيقة.

• تركيب الخلايا الكهروضوئية.

المادة الخام الرئيسية لإنتاج السيليكون عالي النقاوة هي رمل الكوارتز (SiO2) 2). يتم الحصول على الذوبان عن طريق التحليل الكهربائي السيليكون المعدنيالتي تصل نقاوتها إلى 98٪. تحدث عملية استعادة السيليكون عندما يتفاعل الرمل مع الكربون عند درجة حرارة عالية تصل إلى 1800 درجة مئوية:

هذه الدرجة من النقاء ليست كافية لإنتاج خلية ضوئية ، لذلك يجب معالجتها بشكل أكبر. يتم إجراء مزيد من التنقية للسيليكون لصناعة أشباه الموصلات عمليا في جميع أنحاء العالم باستخدام التكنولوجيا التي طورتها شركة سيمنز.

«عملية سيمنز» هو تنقية السيليكون عن طريق تفاعل السيليكون المعدني مع حمض الهيدروكلوريك ، مما ينتج عنه ثلاثي كلورو سيلان (SiHCl3):

يوجد Trichlorosilane (SiHCl3) في المرحلة السائلة ، لذلك يمكن فصله بسهولة عن الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك ، يزيد التقطير المتكرر لثلاثي كلورو سيلان نقاوته إلى 10-10٪.

تُستخدم العملية اللاحقة - الانحلال الحراري لثلاثي كلورو سيلان المنقى - لإنتاج سيليكون متعدد الكريستالات عالي النقاء. لا يفي السليكون متعدد البلورات الناتج تمامًا بشروط الاستخدام في صناعة أشباه الموصلات ، ولكن بالنسبة للصناعة الكهروضوئية الشمسية ، فإن جودة المادة كافية.

متعدد الكريستالات السيليكون هو مادة خام لإنتاج السيليكون أحادي البلورية. يتم استخدام طريقتين لإنتاج السيليكون أحادي البلورية - طريقة Czochralski وطريقة ذوبان المنطقة.

طريقة تشوكرالسكي كثيف استخدام الطاقة وكذلك كثيف المواد. يتم شحن كمية صغيرة نسبيًا من السليكون متعدد الكريستالات في البوتقة ويتم صهرها في الفراغ.تسقط بذرة صغيرة من السليكون الأحادي على سطح المصهور ثم تلتوي وترتفع وتسحب السبيكة الأسطوانية خلفها بسبب قوة التوتر السطحي.

في الوقت الحاضر ، يصل أقطار السبائك المسحوبة إلى 300 مم. يصل طول السبائك التي يبلغ قطرها 100-150 مم إلى 75-100 سم ، ويكرر التركيب البلوري للسبيكة المطولة التركيب أحادي البلورية للبذرة. تؤدي زيادة قطر وطول السبيكة ، فضلاً عن تحسين تقنية قطعها ، إلى تقليل كمية النفايات ، وبالتالي تقليل تكلفة الخلايا الضوئية الناتجة.

تقنية الحزام. تعتمد العملية التكنولوجية التي طورتها شركة Mobil Solar Energy على سحب شرائح السيليكون من الذوبان وتشكيل الخلايا الشمسية عليها. المصفوفة مغمورة جزئيًا في ذوبان السيليكون ، ونتيجة للتأثير الشعري يرتفع السيليكون متعدد البلورات مكونًا شريطًا ، يتبلور المصهور ويزال من القالب. من أجل زيادة الإنتاجية ، تم تصميم المعدات ، والتي يمكن من خلالها استقبال ما يصل إلى تسعة أحزمة في نفس الوقت. والنتيجة هي منشور ذو تسعة جوانب.

تتمثل ميزة الأحزمة في أنها منخفضة التكلفة بسبب استبعاد عملية قطع السبيكة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن الحصول على الخلايا الكهروضوئية المستطيلة بسهولة ، في حين أن الشكل الدائري للألواح أحادية البلورية لا يساهم في الوضع الجيد للخلية الكهروضوئية في الوحدة الكهروضوئية.

يجب بعد ذلك تقطيع قضبان السيليكون متعدد البلورات أو أحادي البلورية إلى رقائق رقيقة بسمك 0.2-0.4 مم. عند قطع قضيب من السيليكون أحادي البلورية ، يتم فقد حوالي 50٪ من المادة في حالة الخسارة.أيضًا ، لا يتم قطع الغسالات المستديرة دائمًا ، ولكن في كثير من الأحيان ، لعمل شكل مربع.