التأثير الكهروضوئي

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
لوحة شمسية من مافاتي مارلا

التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة فيزيائية تقوم فيها مادة شبه موصلة بتوليد طاقة كهربائية عند تعرضها للضوء. [ 1 ]

يرتبط التأثير الكهروضوئي ارتباطًا وثيقًا بالتأثير الكهروضوئي الكهربائي . ففي كلتا الظاهرتين، يُمتص الضوء، مما يؤدي إلى إثارة الإلكترون أو أي حامل شحنة آخر إلى حالة طاقة أعلى. ويكمن الفرق الرئيسي في أن مصطلح التأثير الكهروضوئي الكهربائي يُستخدم عادةً عندما يُقذف الإلكترون خارج المادة (عادةً إلى الفراغ)، بينما يُستخدم مصطلح التأثير الكهروضوئي عندما يكون حامل الشحنة المُثار لا يزال موجودًا داخل المادة. وفي كلتا الحالتين، يتولد جهد كهربائي (أو فولتية) نتيجةً لفصل الشحنات، ويجب أن يمتلك الضوء طاقة كافية للتغلب على حاجز الجهد اللازم للإثارة. ويكمن جوهر الفرق الفيزيائي عادةً في أن الانبعاث الكهروضوئي الكهربائي يفصل الشحنات عن طريق التوصيل الباليستي ، بينما يفصلها الانبعاث الكهروضوئي الكهربائي عن طريق الانتشار، إلا أن بعض مفاهيم الأجهزة الكهروضوئية التي تعتمد على "حاملات الشحنة الساخنة" تُخفي هذا التمييز.

تاريخ

أول عرض توضيحي للتأثير الكهروضوئي، الذي قام به إدموند بيكريل عام 1839، استخدم خلية كهروكيميائية. وقد شرح اكتشافه في كتابه " Comptes rendus de l'Académie des sciences " قائلاً: "إن إنتاج تيار كهربائي عند تعريض لوحين من البلاتين أو الذهب مغمورين في محلول حمضي أو متعادل أو قلوي للإشعاع الشمسي بطريقة غير متساوية." [ 2 ]

أجرى تشارلز فريتس تجارب على أول خلية شمسية، تتكون من طبقة من السيلينيوم مغطاة بطبقة رقيقة من الذهب، عام 1884، إلا أن كفاءتها كانت ضعيفة للغاية. [ 3 ] مع ذلك، فإن الشكل الأكثر شيوعًا للتأثير الكهروضوئي يعتمد على أجهزة الحالة الصلبة، وتحديدًا الثنائيات الضوئية . فعندما يسقط ضوء الشمس أو أي ضوء آخر ذي طاقة كافية على الثنائي الضوئي، تمتص الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ الطاقة، فتُثار وتنتقل إلى نطاق التوصيل وتتحرر. تنتشر هذه الإلكترونات المثارة، ويصل بعضها إلى وصلة التقويم (عادةً ما تكون وصلة ثنائية من نوع p-n ) حيث تتسارع داخل مادة أشباه الموصلات من النوع n بفعل الجهد الداخلي ( جهد غالفاني ). يُولد هذا قوة دافعة كهربائية وتيارًا كهربائيًا، وبالتالي يتحول جزء من طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية. كما يمكن أن يحدث التأثير الكهروضوئي عند امتصاص فوتونين في آنٍ واحد، في عملية تُسمى التأثير الكهروضوئي ثنائي الفوتون .

رسم توضيحي لتأثير الخلايا الكهروضوئية باستخدام مخطط نطاقات الطاقة. تُعطي الفوتونات طاقتها للإلكترونات في مناطق الاستنزاف أو المناطق شبه المتعادلة. تنتقل هذه الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. وبحسب موقعها، تتسارع الإلكترونات والفجوات بفعل مجال الانجراف الكهربائي E drift ، مما يُنتج تيارًا ضوئيًا ، أو بفعل مجال التشتت الكهربائي E scatt ، مما يُنتج تيارًا ضوئيًا مُشتتًا. [ 4 ]

الفيزياء

إضافةً إلى الإثارة الكهروضوئية المباشرة للإلكترونات الحرة، يمكن أن ينشأ تيار كهربائي أيضًا من خلال تأثير سيبك . فعندما تُسخَّن مادة موصلة أو شبه موصلة بامتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي، قد يؤدي التسخين إلى زيادة تدرجات درجة الحرارة في المادة شبه الموصلة أو فروق في درجات الحرارة بين المواد. هذه الفروق الحرارية بدورها قد تولد جهدًا كهربائيًا لأن مستويات طاقة الإلكترونات تتغير بشكل مختلف في مناطق مختلفة، مما يخلق فرقًا في الجهد بين تلك المناطق، والذي بدوره يُولِّد تيارًا كهربائيًا. وتعتمد المساهمات النسبية للتأثير الكهروضوئي مقابل تأثير سيبك على العديد من خصائص المواد المكونة.

تُنتج جميع التأثيرات المذكورة أعلاه تيارًا مستمرًا، وقد أجرى الدكتور هايانغ زو والبروفيسور تشونغ لين وانغ أول عرض توضيحي لتأثير التيار المتردد الكهروضوئي (AC PV) في معهد جورجيا للتكنولوجيا عام 2017. ويُعرف تأثير التيار المتردد الكهروضوئي بأنه توليد تيار متردد (AC) في حالات عدم التوازن عندما يسقط الضوء بشكل دوري على وصلة أو سطح بين مادتين. [ 5 ] ويعتمد هذا التأثير على النموذج السعوي الذي يُظهر أن التيار يعتمد بشدة على تردد النبضة. ويُعتقد أن تأثير التيار المتردد الكهروضوئي ناتج عن الانزياح النسبي وإعادة تنظيم مستويات شبه فيرمي لأشباه الموصلات المجاورة للوصلة/السطح البيني في ظل ظروف عدم التوازن. تتدفق الإلكترونات في الدائرة الخارجية ذهابًا وإيابًا لموازنة فرق الجهد بين قطبين كهربائيين. أما الخلية الشمسية العضوية، التي لا تحتوي موادها على تركيز حاملات أولي، فلا تُظهر تأثير التيار المتردد الكهروضوئي.

تأثير درجة الحرارة

يعتمد أداء وحدة الخلايا الكهروضوئية على الظروف البيئية، وخاصةً على الإشعاع الشمسي الساقط الكلي G على سطح الوحدة. ومع ذلك، تؤثر درجة حرارة وصلة p-n (T) أيضًا على المعايير الكهربائية الرئيسية: تيار الدائرة القصيرة ISC، وجهد الدائرة المفتوحة VOC، والقدرة القصوى Pmax. تعود أولى الدراسات حول سلوك الخلايا الكهروضوئية في ظل ظروف متغيرة من G وT إلى عقود مضت.<sup>1-4</sup> من المعروف عمومًا أن VOC يُظهر ارتباطًا عكسيًا قويًا مع T، بينما يكون هذا الارتباط طرديًا بالنسبة لـ ISC، ولكنه أضعف، بحيث لا تُعوض هذه الزيادة انخفاض VOC. ونتيجةً لذلك، تنخفض Pmax مع ارتفاع T. يعتمد هذا الارتباط بين القدرة الخارجة من الخلية الشمسية ودرجة حرارة وصلتها على مادة أشباه الموصلات،<sup>2</sup> وهو ناتج عن تأثير T على تركيز وعمر وحركية حاملات الشحنة الذاتية، أي الإلكترونات والفجوات، داخل الخلية الكهروضوئية.

تُوصَف حساسية درجة الحرارة عادةً بمعاملات حرارية، يُعبِّر كلٌّ منها عن مشتقة المعامل الذي يُشير إليه بالنسبة لدرجة حرارة الوصلة. ويمكن إيجاد قيم هذه المعاملات في أي ورقة بيانات خاصة بوحدة الخلايا الكهروضوئية، وهي كالتالي:

– β معامل التباين للمركبات العضوية المتطايرة بالنسبة إلى T، معطى بواسطة ∂VOC/∂T.

– α معامل التباين لـ ISC بالنسبة إلى T، معطى بواسطة ∂ISC/∂T.

– δ معامل التباين لـ Pmax بالنسبة إلى T، معطى بواسطة ∂Pmax/∂T.

يمكن الاطلاع على تقنيات تقدير هذه المعاملات من البيانات التجريبية في المراجع [ 6 ] . وقد تناولت دراسات قليلة تغير مقاومة التوالي تبعًا لدرجة حرارة الخلية أو الوحدة. وتُدرس هذه العلاقة من خلال معالجة منحنى التيار-الجهد بشكل مناسب. ويُقدّر معامل درجة حرارة مقاومة التوالي باستخدام نموذج الصمام الثنائي الأحادي أو نموذج الصمام الثنائي المزدوج [ 7 ] .

الخلايا الشمسية

في معظم تطبيقات الخلايا الكهروضوئية، يكون مصدر الإشعاع هو ضوء الشمس، وتُسمى هذه الأجهزة بالخلايا الشمسية . في حالة الخلية الشمسية ذات وصلة p-n (ثنائي) شبه الموصلة، يؤدي تسليط الضوء على المادة إلى توليد تيار كهربائي لأن الإلكترونات المثارة والفجوات المتبقية تُجرف في اتجاهات مختلفة بفعل المجال الكهربائي الداخلي لمنطقة الاستنزاف. [ 8 ]

تعمل الخلايا الكهروضوئية ذات التيار المتردد في ظروف غير متوازنة. استندت الدراسة الأولى إلى غشاء نانوي من السيليكون من النوع p/ثاني أكسيد التيتانيوم . وقد وُجد أنه بالإضافة إلى خرج التيار المستمر الناتج عن التأثير الكهروضوئي التقليدي القائم على وصلة ap-n، يتولد تيار متردد أيضًا عند إضاءة ضوء وامض على السطح البيني. لا يتبع التأثير الكهروضوئي ذو التيار المتردد قانون أوم، بل يعتمد على النموذج السعوي الذي يعتمد فيه التيار بشدة على تردد المذبذب، بينما يكون الجهد مستقلًا عن التردد. يمكن أن يكون تيار الذروة للتيار المتردد عند تردد تبديل عالٍ أعلى بكثير من تيار الذروة للتيار المستمر. كما يرتبط مقدار الخرج بامتصاص الضوء بواسطة المواد.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الخلايا الشمسية - موسوعة الكيمياء - التركيب ، المعدن، المعادلة، وصلة pn" . www.chemistryexplained.com
  2. ↑ بالز، فولفغانغ (2010). الطاقة للعالم - ظهور الكهرباء من الشمس . بلجيكا: دار بان ستانفورد للنشر. ص 6. ISBN  978-981-4303-38-5.
  3. ↑ غوارنييري، م. (2015). "مزيد من الضوء على المعلومات". مجلة IEEE للإلكترونيات الصناعية . 9 (4): 58-61 . doi : 10.1109/MIE.2015.2485182 . S2CID 13343534 . 
  4. ^ R.Delamare، O.Bulteel، D.Flandre، تحويل الضوء / الكهرباء: مفاهيم أساسية وأمثلة للبحث
  5. ^ زو، هاييانغ؛ داي، جوزهانج؛ وانغ، أوريليا تشي؛ لي، شياوجان؛ تشانغ، ستيفن L.؛ دينغ، وينبو؛ تشانغ، لي؛ تشانغ، ينغ. وانغ ، تشونغ لين (2020-02-03). "تأثير التيار الكهروضوئي المتناوب" . مواد متقدمة . 32 (11) 1907249. بيب كود : 2020AdM....3207249Z . دوى : 10.1002/adma.201907249 . ISSN 0935-9648 . بميد 32009275 .  
  6. ↑ بيليوجين، م.؛ أوكايا، أ.؛ سيدراش دي كاردونا، م.؛ سبانيولو، ج. (2021). "معاملات درجة حرارة وحدات الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلوري المتدهور في الظروف الخارجية". التقدم في الخلايا الكهروضوئية: البحوث والتطبيقات . 29 (5): 558-570 . doi : 10.1002/pip.3396 . S2CID 233976803 . 
  7. ↑ بيليوجين، م.؛ سبانيولو، ج.؛ سيدراك دي كاردونا، م. (2020). "حساسية مقاومة السلسلة لدرجة الحرارة في وحدات السيليكون أحادي البلورة المتدهورة". الطاقة المتجددة . 162 : 677-684 . doi : 10.1016/j.renene.2020.08.026 . S2CID 225364125 . 
  8. ↑ التأثير الكهروضوئي . Scienzagiovane.unibo.it (2006-12-01). تم الاطلاع عليه بتاريخ 2010-12-12.