الخلايا الكهروضوئية
2013 تبسيط علم الإلكترونيات
ستان جيبيليسكو
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
يمكن لصمام ثنائي سيليكوني أن يولِّد تيّاراً مستمراً من تلقاء نفسه، بدون تطبيق أية فولطيّة انحياز، إذا صدمت كمية كافية من طاقة الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية الوصلة N-P فيه.
يطلق الفيزيائيون والمهندسون على هذه الظاهرة اسم الأثر الكهرو ضوئي (الفوتوفولطائي). وهو المبدأ الذي تعمل وفقه الخلايا الشمسية والألواح الشمسية.
لدى الخلية الكهرو ضوئية (Photovoltaic Cell) النموذجية وصلة N-P تمتلك مساحة سطح واسعة (الشكل 5-15)، ترفع كمية الطاقة الإشعاعية التي تستطيع أن تصدم الوصلة إلى حدِّها الأعظمي..jpg)
تنتج خلية كهرو ضوئية وحيدة من السيليكون حوالي 0.6 فولط من التيار المستمر، عندما توضع تحت ضوء الشمس المباشر وبدون حمل. ويعتمد مقدار التيّار الذي يمكن أن تزوِّدنا به – عندما تُعطى كمية محدِّدة من الطاقة الإشعاعية الساقطة – على مساحة سطح الوصلة.
يقوم بائعو الأجهزة نصف الناقلة بشكلٍ روتيني بوصل العديد من خلايا السيليكون الكهرو ضوئية في مصفوفات على التسلسل-التوازي (وهذا يعني: مجموعات من الخلايا الموصولة على التسلسل توصل على التوازي، أو مجموعات من الخلايا الموصولة على التوازي توصل على التسلسل) كي تؤمِّن الطاقة الشمسية لأدوات إلكترونية صغيرة، من أمثال أجهزة المذياع القابلة للحمل والحواسيب الشخصية. وتتشكَّل اللوحة الشمسية من تجميع عددٍ ضخمٍ من الخلايا الكهرو ضوئية.
في ظرفٍ مثالي افتراضي تكون فيه جميع الخلايا الكهرو ضوئية من دون مقاومة داخلية، نستطيع أن نصيغ أربع "قواعد" في ما يتعلَّق بتجميع الخلايا الكهرو ضوئية على التسلسل أو على التوازي، عندما نعرِّضها إلى إشعاعٍ ساقطٍ ثابتٍ.
1- الفولطيّة الأعظمية الممكن إحرازها عبر اثنتين أو أكثر من الخلايا الكهرو ضوئية المتطابقة الموصولة على التسلسل تزداد بتناسبٍ طرديّ مع عدد الخلايا في المجموعة.
2- الفولطيّة الأعظمية الممكن إحرازها عبر اثنتين أو أكثر من الخلايا الكهرو ضوئية المتطابقة الموصولة على التوازي تساوي الفولطية الأعظمية الممكن إحرازها من واحدة من هذه الخلايا.
3- التيّار الأعظمي الذي يتوفر من اثنتين أو أكثر من الخلايا الكهرو ضوئية المتطابقة الموصولة على التوازي يزداد بتناسبٍ طرديّ مع عدد الخلايا في المجموعة.
4- التيّار الأعظمي الذي يتوفر من اثنتين أو أكثر من الخلايا الكهرو ضوئية المتطابقة الموصولة على التسلسل يساوي التيّار الأعظمي الذي يتوفر من واحدة من هذه الخلايا.
وفي الظروف الواقعية، تبقى هذه القواعد صالحةً إلى حدٍّ بعيد، طالما التزمنا بعدم تجميع أكثر من بضع خلايا كهرو ضوئية على التسلسل ضمن المصفوفة الواحدة. فلو قمنا بربط العديد من الخلايا على التسلسل، فإنّ مقاوماتها الداخلية (التي لا تساوي -في الواقع الحقيقي- قيمةً معدومةً تماماً) سوف تُجمَع مع بعضها لتصبح أمراً مُعتَبراً، ممّا يؤدّي إلى إنقاص التيّار الأعظمي الذي يتوفر من التجميع الإجمالي بالمقارنة مع التيّار الأعظمي الذي يتوفر من خلية وحيدة.
مسألة 5-5:
لماذا تنتج خلية السيليكون الكهرو ضوئية الوحيدة حوالي 0.6 فولط فقط من التيّار المستمر، بغضّ النظر عن شدّة الضوء الذي نشعّه عليها، ومهما كانت مساحة سطح الوصلة N-P؟
الحل:
يمثّل فرقُ البطارية المعادلُ لـ 0.6 فولط فولطيّةَ التوصيل نحو الأمام لوصلة N-P من السيليكون. يظهر خرجُ الخلية الكهرو ضوئية نصف الناقلة مع قطبيةٍ تتوافق مع الانحياز الأمامي. وهذه الظاهرة "تقيِّد داخلياً" الفولطيّة التي يمكن أن توجد عبر الوصلة، وذلك بطريقة مشابهة للأسلوب الذي يعمل به المقيِّد المرتكز على ديود.
مسألة 5-6:
لنفترض أنّ خلية سيليكون كهرو ضوئية وحيدة تستطيع أن تنتج –في حدِّها الأعظمي المطلق- تيّاراً قدره 100 ملّي أمبير عند تعرّضها لضوء الشمس المباشر. فما هو العدد الذي يلزمنا ربطُه على التوازي من هذه الأجهزة كي نحصل على تيّار أعظمي قيمته 500 ملّي أمبير؟
الحل:
إنّ خمس خلايا كهرو ضوئية موصولة على التوازي سوف تفي بالغرض السابق. فقيم التيّار الأعظمي الذي يتوفر تُجمَع بشكل مباشر عندما نربط اثنتين أو أكثر من الخلايا الكهرو ضوئية على التوازي.
مسألة 5-7:
تصوَّر أننا وصلنا 16 خلية سيليكون كهرو ضوئية متطابقة وفق مصفوفة على التسلسل-التوازي 4×4، حيث تستطيع كل خلية أن تزوِّدنا بتيّارٍ مقداره 75 ملّي أمبير على الأكثر. يمكننا أن نصنع مثل هذه المصفوفة بواسطة واحدة من طريقتين اثنتين، كما يلي:
– إنشاء أربع مجموعات موصولة على التسلسل تحتوي كلٌّ منها على أربع خلايا، ثم وصل هذه المجموعات كلها على التوازي.
– إنشاء أربع مجموعات موصولة على التوازي تحتوي كلٌّ منها على أربع خلايا، ثم وصل هذه المجموعات كلها على التسلسل.
ما هي الفولطية الأعظمية الممكن إحرازها التي يمكن أن نتوقّعها من هذه المصفوفة؟ وما هو التيّار الأعظمي الذي يتوفر؟
الحل:
بالقراءة المتأنّية "للقواعد" الأربعة عن التجميعات على التسلسل وعلى التوازي للخلايا الكهرو ضوئية التي ذكرناها أعلاه، نجد أنّ الفولطية الأعظمية الممكن إحرازها تساوي 0.4 فولط × 4 أي 2.4 فولط، وأنّ التيّار الأعظمي الذي يتوفر يساوي 75 ملّي أمبير × 4 أي 300 ملّي أمبير.
