مبدأ توليد الطاقة من الألواح الشمسية

تسطع الشمس على وصلة PN شبه الموصلة، مُشكّلةً زوجًا جديدًا من الإلكترونات والفجوات. تحت تأثير المجال الكهربائي لوصلة PN، تتدفق الفجوات من المنطقة P إلى المنطقة N، بينما تتدفق الإلكترونات من المنطقة N إلى المنطقة P. عند توصيل الدائرة، يتولد التيار الكهربائي. هكذا تعمل الخلايا الشمسية الكهروضوئية.

توليد الطاقة الشمسية: هناك نوعان من توليد الطاقة الشمسية، أحدهما هو نمط تحويل الضوء إلى حرارة إلى كهرباء، والآخر هو نمط تحويل الضوء إلى كهرباء مباشرة.

(1) تعتمد طريقة تحويل الضوء إلى حرارة إلى كهرباء على الطاقة الحرارية المتولدة من الإشعاع الشمسي لتوليد الكهرباء. عمومًا، تُحوّل الطاقة الحرارية الممتصة إلى بخار في وسط التشغيل بواسطة المُجمِّع الشمسي، ثم يُدار التوربين البخاري لتوليد الكهرباء. تُسمى العملية الأولى عملية تحويل الضوء إلى حرارة، بينما تُسمى العملية الثانية عملية تحويل الحرارة إلى كهرباء.

(2) تُستخدم الظاهرة الكهروضوئية لتحويل طاقة الإشعاع الشمسي مباشرةً إلى طاقة كهربائية. والجهاز الأساسي لهذا التحويل هو الخلية الشمسية. الخلية الشمسية هي جهاز يحول طاقة ضوء الشمس مباشرةً إلى طاقة كهربائية بفضل التأثير الكهروضوئي. وهي عبارة عن ثنائي ضوئي شبه موصل. عندما تسطع الشمس على الثنائي الضوئي، فإنه يحول طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية ويولد تيارًا كهربائيًا. وعند توصيل العديد من الخلايا على التوالي أو التوازي، يمكن تشكيل مصفوفة مربعة من الخلايا الشمسية ذات قدرة خرج عالية نسبيًا.

في الوقت الحاضر، يعتبر السيليكون البلوري (بما في ذلك السيليكون متعدد البلورات والسيليكون أحادي البلورة) أهم المواد الكهروضوئية، حيث تبلغ حصته في السوق أكثر من 90٪، وسيظل في المستقبل لفترة طويلة من الزمن المادة الرئيسية للخلايا الشمسية.

لفترة طويلة، كانت تكنولوجيا إنتاج مواد البولي سيليكون خاضعة لسيطرة 10 مصانع تابعة لـ 7 شركات في 3 دول، مثل الولايات المتحدة واليابان وألمانيا، مما شكل حصارًا تكنولوجيًا واحتكارًا للسوق.

يأتي الطلب على البولي سيليكون بشكل رئيسي من أشباه الموصلات والخلايا الشمسية. وبحسب متطلبات النقاء المختلفة، يُقسم إلى نوعين: إلكتروني وشمسي. ويُشكل البولي سيليكون الإلكتروني حوالي 55% من الطلب، بينما يُشكل البولي سيليكون الشمسي 45%.

مع التطور السريع لصناعة الخلايا الكهروضوئية، يتزايد الطلب على البولي سيليكون في الخلايا الشمسية بشكل أسرع من تطور البولي سيليكون المستخدم في أشباه الموصلات، ومن المتوقع أن يتجاوز الطلب على البولي سيليكون المستخدم في الخلايا الشمسية الطلب على البولي سيليكون المستخدم في الإلكترونيات بحلول عام 2008.

في عام 1994، لم يتجاوز إجمالي إنتاج الخلايا الشمسية في العالم 69 ميغاواط، لكنه ارتفع في عام 2004 إلى ما يقارب 1200 ميغاواط، أي بزيادة قدرها 17 ضعفًا خلال 10 سنوات فقط. ويتوقع الخبراء أن تتجاوز صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطاقة النووية لتصبح أحد أهم مصادر الطاقة الأساسية في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين.