مقالة علمية للتدريسي هاجر حداد الخلايا الشمسية النانوية: أهمية بيئية واقتصادية <br />المقدمة:<br />بداية سنتحدث عن مبدأ عمل الخلايا الشمسية التقليدية و المشاكل التي تعترضها و استخدام التقانة النانوية لحل هذه المشاكل و أخر الأبحاث العلمية لتطوير تكنولوجيا الخلايا الشمسية <br />تعتبر الخلايا الشمسية أحد أهم مصادر الطاقة البديلة و المتجددة , وقد شهدت هذه الخلايا تطبيقات واسعة في كافة نواحي حياتنا اليومية. وبالرغم من التوسع المطرد في مجالات استخدامها, إلا أنها ما زالت تواجه بعض العقبات و الصعوبات , من أهمها قلة كفاءتها , وارتفاع ثمنها , ولهذا يقوم العديد من الباحثين حالياً باستخدام تكنولوجيا النانو في تطوير خلايا شمسية كفوءة وقليلة التكلفة <br />ما هي الخلايا الشمسية : <br />الخلايا الشمسية هي أجهزة تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء , إما مباشرة من خلال تأثير الفعل الكهروضوئي photovoltaic effect , أو بشكل غير مباشر بتحويل أولي للطاقة الشمسية إلى حرارة أو طاقة كيميائية. الشكل الأكثر شيوعا للخلايا لشمسية هي التي تعتمد على تأثير الفعل الكهرضوئي PV بحيث ينتج الضوء الساقط على جهاز يحتوي على طبقتين من مواد شبه موصلة semiconductor فرق في الجهد photovoltage بين الطبقات, هذا الجهد قادر على تسيير تيار عبر دارة خارجية external circuit وبذلك نستفيد من هذا التيار الكهربائي. <br />مبدأ عمل الخلايا الشمسية : <br />قبل أن نتحدث عن منتجات الخلايا الشمسية الجديدة والتي تستخدم تكنولوجيا النانو, من الضروري أن نشرح المبدأ الأساسي الذي تستخدمه الخلايا الشمسية التقليدية. لفهم مبدأ عمل الخلية الشمسية PV cell , يجب ان نأخذ بعين الاعتبار كلاً من طبيعة المادة وطبيعة ضوء الشمس. <br /> تتألف الخلايا الشمسية من نوعين من المواد, غالباً السيليكون من النوع p (p-type) والسيليكون من النوع n <br /> (n-type). عندما يضرب الضوء الخلايا الشمسية تمتص هذه الخلايا الطاقة من الفوتونات, هذه الطاقة المُمتصة تقوم بتحريك الإلكترونات سامحةً لها بالتدفق. بإضافة شوائب impurities مختلفة إلى السيليكون كالفوسفور و البورون , يمكن الحصول على حقل كهربائي (التحكم بالإيصالية الكهربائية), حيث يقوم الضوء بأطوال موجية محددة بتأيين الذرات في السيليكون وينتج حقل إلكتروني عبر الطبقة الوسطى الرقيقة بين طبقتي السيليكون و التي تدعى junction و التي تفصل الشحنات الموجبة (الثقوب) عن الشحنات السالبة (الإلكترونات) داخل الخلايا الشمسية. تنتقل الثقوب إلى الطبقة p (p-type) الموجبة , والإلكترونات تنتقل إلى الطبقة n(n-type) السالبة, على الرغم من أن هذه الشحنات المتعاكسة تتجاذب بالنسبة لبعضها البعض , إلا أن غالبيتها يمكنها أن تتحد فقط من خلال المرور عبر دارة خارجية خارج المادة. لذلك يتم وضع دارة خارجية حيث يمكن إنتاج الكهرباء من الخلايا لأن الإلكترونات الحرة سرت عبر الحمل لتتحد recombine مع الثقوب الموجبة<br /> تمتلك الخلايا الشمسية التقليدية نوعين رئيسين من المساوئ ; يمكنها فقط تحقيق كفاءة بمقدار 10 % , و ارتفاع تكلفة التصنيع, العقبة الأولى غالباً لا يمكن تجنبها في خلايا السيليكون, هذا بسبب الفوتونات الواردة , أو الضوء, حيث أنها يجب ان تملك الطاقة الصحيحة right energyو التي تدعى طاقة فجوة النطاق band gap energy لتقوم بضرب أو تحريك knock out إلكترون.<br /> إذا كان للفوتون طاقة أقل من طاقة فجوة النطاق , فإنه سيمر بدون أي تأثير, بينما إذا كان الفوتون يملك طاقة أعلى من طاقة فجوة النطاق , هذا يؤدي إلى أن هذه الطاقة الزائدة ستضيع على شكل حرارة , ويشير الباحثون أن هذين التأثيرين لوحدهما مسؤولان عن ضياع ما يقارب 70% من طاقة الإشعاع الواقعة على الخلية الشمسية. وبالتالي وفقاً لمخبر Lawrence Berkeley الوطني في الولايات المتحدة فإن الكفاءة الأعظمية المحققة اليوم هي فقط حوالي 25%. والخلايا الشمسية المنتجة بكميات كبيرة mass-production تملك كفاءة أقل من هذه بكثير , حيث عادةً تحقق كفاءة بمقدار 10% فقط <br />كيف يمكن لتقنية النانو تحسين الطاقة الشمسية؟<br />يمكن استخدام تقنيات مختلفة للاستفادة من الطاقة الشمسية مثل الخلايا الكهروضوئية والمجمعات الشمسية الحرارية وأنظمة الطاقة الشمسية المركزة والوقود الشمسي. يمكن لتقنية النانو أن تلعب دوراً أساسياً في تحسين هذه التقنيات من خلال تعزيز امتصاص الضوء وتحويل الطاقة وتحسين كفاءة أجزاء النظام.<br />الخلايا الكهروضوئية<br />تعتمد كفاءة الخلية الضوئية على عدة عوامل مثل طبقة فجوة الطاقة للمادة شبه الموصلة وانعكاس وانتقال الضوء على سطح الخلية وإعادة ارتباط أزواج الإلكترونات والفجوات قبل الوصول إلى الأقطاب ودرجة حرارة الخلية.<br />استخدام المواد النانوية والهياكل النانوية تساعد في تحسين هذه العوامل من خلال:<br />زيادة امتصاص الضوء عن طريق إنشاء مساحة سطح أكبر للتفاعل الضوئي وتشتيت الضوء في اتجاهات أو أطوال موجية مختلفة أو إنشاء حزم طاقة متعددة من فوتون واحد.<br />زيادة نسبة تحويل الطاقة عن طريق إنشاء مادة لها فجوة طاقة أقل بالتالي يمكنها امتصاص المزيد من الفوتونات من طيف أشعة الشمس أو إنشاء خلية ترادفيه يمكنها استخدام مواد مختلفة لامتصاص أطوال موجية مختلفة للضوء.<br />زيادة الكفاءة من خلال تقليل خسائر إعادة الارتباط عن طريق إنشاء آلية أفضل لفصل الشحنات أو نقلها، أو إنشاء طلاء ينظف نفسه أو منع الانعكاس على سطح الخلية.<br />المواد النانوية المستخدمة أو التي يتم تطويرها لتستخدم في الخلايا الكهروضوئية:<br />الجسيمات النانوية<br />الأذرع النانوية <br />الأنابيب النانوية<br />الألياف النانوية <br />هذه هي بعض الطرق التي يمكن أن تساهم بها تقنية النانو في تحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية وتطوير أنظمة طاقة شمسية أكثر كفاءة واستدامة. كما يتم حالياً إجراء العديد من الأبحاث في هذا المجال لاستكشاف المزيد من الاستخدامات الواعدة لتقنية النانو في الطاقة الشمسية.<br />