مجتمع اليوم مع مرور كل يوم ،لكن الطاقة التقليدية التي تمثلها الطاقة الأحفورية (مثل الفحم والنفط وما إلى ذلك) أصبحت صعبة بشكل متزايد لتلبية الطلب المتزايد باستمرار على الطاقة بسبب مشاكل مثل دورات التجديد الطويلة وتراجع الاحتياطيات و الجودة: تطوير واستغلال مصادر الطاقة الجديدة لذلك تم وضعها على جدول الأعمال.   

توليد الطاقة من الألواح الشمسية الكهروضوئية: مستوحى من التمثيل الضوئي للنباتات   

نعلم جميعًا أن الطاقة المتاحة لجميع الكائنات الحية على الأرض تأتي أساسًا من التمثيل الضوئي للنباتات. 

يشير التمثيل الضوئي للنبات إلى العملية البيولوجية لتخليق السكر من ثاني أكسيد الكربون والماء في البلاستيدات الخضراء النباتية في ظل ظروف الإضاءة ،وبما أن السكريات يمكن أن تنتج الطاقة أثناء عملية التمثيل الغذائي ،يتم تخزين الطاقة الشمسية بهذه الطريقة.   

ومع ذلك ،يصعب استخدام هذه الطاقة بشكل مباشر بالنسبة لنا ،وتحتاج عمومًا إلى التحويل قبل أن تصبح الكهرباء التي نستخدمها بشكل عام. تخبرنا مبادئ الفيزياء أن عملية تحويل الطاقة ستؤدي حتمًا إلى فقدان الطاقة. نتيجة لذلك ،تم وضع موضوع التحويل المباشر للطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية على جدول الأعمال.   

إذن ،هل يمكن تحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى كهرباء؟ ما هي العوامل المرتبطة بعملية التحول هذه؟ بالنسبة للعلماء في أوائل القرن التاسع عشر ،هذا سؤال يجب مراعاته.   

لحسن الحظ ،حققت هذه المشكلة اختراقاً هائلاً في نهاية القرن التاسع عشر.   

مع "أقوى عقل" اكتشف لغز الضوء والكهرباء   

في عام 1887 ، اكتشف الفيزيائي الشهير (هيرتز) بالصدفة في دراسة أن الضوء الساطع على سطح مادة ما سيؤدي إلى تغيرات في الخواص الكهربائية للمادة. وقد أثبتت الدراسات اللاحقة أن هذا ناتج عن توليد الإلكترونات ، لذلك تسمى هذهالظاهرة "التأثير الكهروضوئي".

رسمتخطيطي للتأثير الكهروضوئي

يجب أن نعلم أنه في ذلك الوقت ،كانت مبادئ الفيزياء الكلاسيكية التي وضعها نيوتن هي التي تحكم تفكير الناس. يعتقد هذا المبدأ أن الضوء هو نوع من الموجة (يمكن تخيله عندما يتم إلقاء حجر في البحيرة ،يتأرجح سطح البحيرة مع تموجات تنتقل إلى الخارج مع الماء كوسيط) ،وترتبط طاقة الموجة بـ السعة (سعة الاهتزاز) (سعة الموجة الضوئية هي شدة الضوء) 

 يبدو هذا الحادث متسقًا جدًا مع الفطرة السليمة. من المتصور أن تكون الشمس غير قوية في الشتاء ،ويشعر الجسم بالدفء عند تعرضها للشمس ،أما في الصيف تكون الشمس مبهرة ،وإذا لم تهتم بحماية بشرتك فقد تصاب بحروق الشمس. لذلك ،في ظل الفيزياء الكلاسيكية ،يعتمد احتمال حدوث التأثير الكهروضوئي على شدة الضوء ؛ومع ذلك ،فإن هذه النظرية تتعارض مع نتائج سلسلة من التجارب في ذلك الوقت. 

أظهرت الدراسات أنه بالنسبة للمادة نفسها ،لا يمكن أن ينتج ضوء بعض الألوان تأثيرًا كهروضوئيًا بغض النظر عن شدة الضوء ،ويمكن لضوء بعض الألوان أن يولد تيارًا كهربائيًا حتى لو كانت شدة الضوء منخفضة للغاية. ستقع الفيزياء الكلاسيكية في أزمة: عاصفة تجتاح المجتمع العلمي بأسره.   

تولد العاصفة الدمار ،ولكن معها تأتي حياة جديدة. تم حل مشكلة التأثير الكهروضوئي بواسطة أينشتاين كما نعرفها.   

يُعرف أينشتاين على نطاق واسع بتأسيسه لنظرية النسبية ،لكنك قد لا تعرف أن مثل هذا العالم العظيم لم يفز أبدًا بجائزة نوبل ،والتي تُسمى أعلى وسام في المجتمع العلمي.   

فاز أينشتاين بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1921 بفضل تفسيره الإبداعي للتأثير الكهروضوئي. اقترح أن الضوء يتكون من الفوتونات ،وطبيعة الفوتونات هي حزم طاقة ،والطاقة الموجودة في كل حزمة طاقة مرتبطة بترددها (عدد التغييرات في غضون ثانية واحدة لكل وحدة زمنية) ،لذلك يضيء الضوء على يعتمد إنتاج الإلكترونات كليًا على طاقة (تردد) حزمة الطاقة (الفوتون) ،ولا علاقة لها بعدد حزم الطاقة (شدة الضوء). 

الخلايا الشمسية مثل "شطيرة" 

قدمنا ​​أعلاه عملية اكتشاف التأثير الكهروضوئي ، ونعرف أيضًا كيفية إنتاج التأثير الكهروضوئي ، ثم كيف يمكننا استخدام الإلكترونات المتولدة؟ 

هذا ينطوي على انتقال آخر بين مستوى الطاقة والمفهوم 

الصورة: رسم تخطيطي لانتقال مستوى الطاقة 

تتكون الذرة من نواة وإلكترونات خارج النواة. الإلكترونات خارج النواة ليست مبعثرة ولكنها مرتبة في طبقات وفقًا لمبادئ الفيزياء. للإلكترونات القريبة من النواة طاقة منخفضة والإلكترونات البعيدة عن النواة لديها طاقة أعلى الطاقة طبقات مختلفة طاقات الإلكترونات مختلفة ، وتسمى قيم الطاقة هذه أيضًا "مستويات الطاقة". 

في ظل الظروف العادية ، تميل الإلكترونات خارج النواة دائمًا إلى الترتيب في شكل أقل طاقة كلية ، وتسمى هذه الإلكترونات "الحالة الأساسية". بعد أن تتلقى الذرة في الحالة الأرضية شكلاً معينًا من الطاقة (مثل الفوتون) ، فإنها تنتقل تلقائيًا إلى مستوى طاقة أعلى ، وهو انتقال إلى مستوى الطاقة ، ويطلق على الإلكترون بعد الانتقال "حالة الإثارة". " 

لسوء الحظ ، فإن الإلكترونات المثارة ليست مستقرة وتميل إلى الانتقال إلى مستويات طاقة أقل ، حيث تتبدد الطاقة الزائدة للإلكترونات على شكل طاقة ضوئية أو طاقة حرارية. 

لإجراء التيار الناتج عن التأثير الكهروضوئي ، نحتاج إلى بناء هيكل جهاز مناسب ، وهو ما نطلق عليه غالبًا الخلايا الشمسية 

هيكل الجهاز يشبه الساندويتش ، والطبقة النشطة ذات التأثير الكهروضوئي محصورة بواسطة طبقة نقل الإلكترون والفتحة (الجزء الناقص الإلكترون الجزئي الذي يتكون بعد انتقال الإلكترون يسمى الثقب). الطرفان هما مواد قطب كهربائي ، بشكل عام المعادن والأكاسيد. 

بعد أن تتلقى الذرة في الحالة الأرضية شكلاً معينًا من الطاقة (مثل الفوتون) ، فإنها تنتقل تلقائيًا إلى مستوى طاقة أعلى ، وهو انتقال إلى مستوى الطاقة ، ويطلق على الإلكترون بعد الانتقال "حالة الإثارة". " نظرًا لأن مستوى طاقة الحالة المثارة لطبقة نقل الإلكترون أقل قليلاً من مستوى الطبقة النشطة ، فإن الإلكترونات في الحالة المثارة للطبقة النشطة يتم نقلها بسهولة إلى طبقة نقل الإلكترون بدلاً من العودة إلى الحالة الأرضية للطبقة النشطة ؛ بينما تكون الحالة الأرضية لطبقة نقل الفتحة أقل من الحالة الأرضية للطبقة النشطة ، تكون طاقة الإلكترون أعلى قليلاً ، ويميل الإلكترون إلى الانتقال إلى الحالة الأرضية للطبقة النشطة. 

إنه مثل إعداد خطوة للإلكترون ، والسماح للإلكترون بالمرور بدلاً من القفز بقوة ، وبالتالي يسهل تحقيق العملية برمتها. 

من خلال التنسيق الفعال لطبقة نقل الإلكترون وطبقة نقل الفتحة ، يشكل الجهاز بأكمله حلقة كاملة ، ويمكن تصدير الإلكترونات المتولدة في الطبقة النشطة واستخدامها بواسطتنا. 

بعد التحويل نحصل أخيرًا على الكهرباء مباشرة من الطاقة الشمسية وهذا هو مبدأ الخلايا الشمسية.