ما هو الفرق بين الخلية الشمسية والخلية الضوئية

تستخدم الخلايا الشمسية والخلايا الضوئية الضوء، ولكن لأغراض مختلفة. الخلايا الشمسية (أو الخلايا الكهروضوئية) تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، مما يوفر الطاقة لكل شيء بدءًا من المنازل وحتى الأدوات الصغيرة. الخلايا الضوئيةمن ناحية أخرى، تعد المصابيح الكهربائية أجهزة استشعار للضوء؛ فهي تستشعر تغيرات الضوء للتحكم في الأجهزة مثل مصابيح الشوارع الأوتوماتيكية أو إعدادات الكاميرا، ولكنها لا تنتج طاقة كبيرة.

الخلايا الشمسية مُولِّدة للطاقة، والخلايا الضوئية كاشفات للضوء. كلاهما يُسخِّر الضوء، كلٌّ بطريقته الخاصة، مما يُسهم في إيجاد حلول أكثر كفاءةً وصديقةً للبيئة.

النقاط الرئيسية

• وظيفة:تعمل الخلايا الشمسية على توليد الكهرباء، بينما تستشعر الخلايا الضوئية الضوء.
• المخرجات:تنتج الخلايا الشمسية طاقة قابلة للاستخدام؛ وتعمل الخلايا الضوئية على إرسال إشارات لتغييرات الضوء.
• التركيز على التطبيق:الخلايا الشمسية لتوفير الطاقة؛ الخلايا الضوئية للاستشعار/التبديل.
• مواد:تستخدم الخلايا الشمسية في أغلب الأحيان مادة السيليكون؛ بينما تستخدم الخلايا الضوئية مواد متنوعة حساسة للضوء.
• أداء:كفاءة الخلية الشمسية هي تحويل الطاقة؛ وأداء الخلية الضوئية هو الحساسية/الاستجابة.
• نطاق:تستخدم الخلايا الشمسية طيفًا واسعًا من الضوء؛ وتستطيع الخلايا الضوئية استهداف أطوال موجية محددة.
• تطور:تتطور كلتا التقنيتين نحو كفاءة وتكلفة وتطبيقات أفضل.

مقدمة عن الخلايا الشمسية والخلايا الكهروضوئية

تُعد الخلايا الشمسية والخلايا الكهروضوئية من التقنيات الأساسية في مجال الطاقة المتجددة وكشف الضوء، وتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء أو إشارات كهربائية.

تعريف الخلايا الشمسية

أ خلية شمسية يشير هذا المصطلح بشكل عام إلى جهاز كهربائي يُحوّل طاقة الضوء مباشرةً إلى كهرباء. هذه الأجهزة شبه الموصلة، عادةً ما تكون طبقات سيليكون ذات خصائص كهربائية مختلفة، تُنشئ مجالًا كهربائيًا داخليًا. عندما تصطدم أشعة الشمس (الفوتونات) بالخلية، تُحرّر طاقة الفوتون الإلكترونات، ويدفع المجال الداخلي هذه الإلكترونات، مُولّدًا تيارًا كهربائيًا.

تتضمن النماذج ما يلي:

• خلايا السيليكون أحادية البلورة:بلورة سيليكون مفردة، أعلى كفاءة (15-22% تجاري)، مظهر موحد.
• خلايا السيليكون متعدد البلورات:قطع متعددة من السيليكون، كفاءة أقل قليلاً (13-16%)، تكلفة أقل.
• الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة:طبقات رقيقة من المواد مثل السيليكون غير المتبلور (a-Si)، أو تيلورايد الكادميوم (CdTe)، أو سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS)؛ مرنة، ومواد أقل، وكفاءة أقل في كثير من الأحيان.

تعريف الخلايا الكهروضوئية

على المدى الخلية الكهروضوئية (PV) يُرادف مصطلح "الخلية الشمسية" لتوليد الطاقة. أما مصطلح "الطاقة الكهروضوئية" (المشتق من الكلمة اليونانية "phos" وتعني الضوء، و"voltaic" وتعني الكهرباء) فيصف عملية التحويل المباشر للضوء إلى كهرباء.

تعمل الخلايا الكهروضوئية من خلال التأثير الكهروضوئي، الذي لاحظه إدموند بيكريل عام ١٨٣٩. تحتوي الخلية النموذجية على طبقات شبه موصلة من النوع p (حاملات شحنة موجبة) والنوع n (حاملات شحنة سالبة) تُشكل وصلة pn، مما يُولّد مجالًا كهربائيًا. يُثير ضوء الشمس الإلكترونات، مُكوّنًا أزواجًا من الإلكترونات والفجوات. يفصل المجال هذه الأزواج، دافعًا الإلكترونات لتوليد تيار في دائرة خارجية. تستخدم الخلايا الكهروضوئية الحديثة تصميمات متعددة الوصلات ونسيجًا سطحيًا لتعزيز الكفاءة.

التطور التاريخي لتقنيات الطاقة الشمسية والضوئية

قام إدموند بيكريل بتوثيق التأثير الكهروضوئي في عام 1839. وفي عام 1883، بنى تشارلز فريتس أول خلية شمسية ذات حالة صلبة باستخدام السيلينيوم، محققًا كفاءة <1%.

وقد جاء الاختراق الحاسم في 1954 في مختبرات بيلحيث طوّر داريل تشابين وكالفن فولر وجيرالد بيرسون أول خلية شمسية سيليكونية عملية (كفاءتها حوالي 6%). أثار هذا اهتمامًا كبيرًا، خاصةً لتشغيل الأقمار الصناعية.

من سبعينيات إلى تسعينيات القرن العشرين، ركزت الأبحاث على تحسين الكفاءة وخفض التكاليف:

• ثمانينيات القرن العشرين:مقدمة عن خلايا متعددة الوصلات.
• التسعينيات:التقدم في تقنيات الأغشية الرقيقةوفي وقت مبكر الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة في المباني (BIPV).

بحلول أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، وصلت كفاءة الألواح التجارية إلى 15-20%. وتجاوزت كفاءة الخلايا المتخصصة في المختبرات الحديثة 40%. وتشمل الابتكارات الحالية خلايا بيروفسكايت الشمسية، مما يعد بكفاءة عالية وتكاليف تصنيع أقل.

التصميم والتكوين

تتميز الخلايا الكهروضوئية (للطاقة) والخلايا الضوئية (للكشف) بتصميمات وتركيبات مواد مميزة تعكس وظائفها. تُحسّن الخلايا الكهروضوئية لتوليد الطاقة، بينما تُستخدم الخلايا الضوئية للكشف عن الضوء الحساس.

التركيب المادي للخلايا الكهروضوئية

تستخدم الخلايا الكهروضوئية بشكل أساسي أشباه الموصلات، مع السيليكون (Si) كونها الأكثر شيوعا.

• السيليكون أحادي البلورة:كفاءة أعلى، وتكلفة أعلى.
• السيليكون متعدد البلورات:أقل تكلفة، وأقل كفاءة قليلا.
• خلايا الأغشية الرقيقة:مواد مثل تيلوريد الكادميوم, سيج، أو أ-سي؛ أقل مادة، ومرنة.

يتم اختيار هذه المواد للحصول على أفضل النتائج خصائص الطاقة الكهروضوئية، امتصاص طيف واسع من الشمس وتوليد حاملات الشحنة بكفاءة. متقدم خلايا متعددة الوصلات (ترادفية) تكديس أشباه الموصلات المختلفة لالتقاط أطوال موجية مختلفة، مما يزيد من الكفاءة. البيروفسكايت وهي منطقة بحثية واعدة.

الاختلافات والتشابهات البنيوية

تتمتع الخلايا الضوئية عمومًا بتصميمات أبسط من الخلايا الشمسية المولدة للطاقة.

• نموذجي الخلية الضوئية (على سبيل المثال، المقاومة الضوئية)يحتوي على مادة حساسة للضوء (سيلينيوم، CdS، PbS) على ركيزة عازلة ذات اتصالات موصلة، وهي مُحسّنة لتغيير المقاومة أو توليد إشارة صغيرة.

تتطلب الخلايا الشمسية للطاقة بنية معقدة متعددة الطبقات:

1. التغليف الوقائي(على سبيل المثال، واجهة زجاجية، وطبقة خلفية متينة).
2. طلاء مضاد للانعكاسلزيادة امتصاص الضوء إلى أقصى حد.
3. جهات اتصال معدنية(الشبكة الأمامية، الطبقة الخلفية) لجمع التيار.
4. الوصلة pn(طبقات النواة من النوع p والنوع n) حيث يحدث التأثير الكهروضوئي.

في حين أن كلاهما يستخدم أشباه الموصلات، فإن الخلايا الشمسية تعطي الأولوية لتعظيم المساحة النشطة كفاءة تحويل الطاقة. الخلايا الضوئية تعطي الأولوية حساسية الكشف, وقت الاستجابة، وفي كثير من الأحيان الانتقائية الطيفية.

مبادئ العمل

تتفاعل الخلايا الشمسية والخلايا الضوئية مع الضوء ولكنها تعمل على مبادئ مختلفة، مما يحدد طرق تحويل الضوء ومخرجاته.

كيف تقوم الخلايا الكهروضوئية بتحويل الضوء إلى كهرباء

تعمل الخلايا الكهروضوئية عن طريق التأثير الكهروضوئي. يتم تصنيعها من أشباه الموصلات (عادةً السيليكون) التي تشكل وصلة pn مع مجال كهربائي داخلي، والعملية هي:

1. امتصاص الضوء:يتم امتصاص الفوتونات ذات الطاقة الكافية.
2. توليد أزواج الإلكترونات والفجوات:الطاقة الممتصة تخلق أزواجًا من الإلكترونات والفجوات.
3. فصل الشحنة:يفصل المجال الكهربائي للوصلة pn هذه الأزواج.
4. الجيل الحالي:تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية، مما يؤدي إلى إنشاء تيار مستمر.

المكونات الرئيسية: طبقات أشباه الموصلات الماصة للضوء، والطلاء المضاد للانعكاس، والاتصالات المعدنية، والركيزة، والتغليف.

تحليل مقارن لآليات العمل

تعمل الخلايا الضوئية (أجهزة الكشف الضوئية، LDRs) على التأثير الكهروضوئي أو التأثير الضوئي الموصل، اكتشاف الضوء والاستجابة عن طريق تغيير المقاومة أو إنتاج إشارة كهربائية صغيرة، وليس طاقة كبيرة.

أنواع آليات الخلايا الضوئية:

• المقاومات الضوئية (LDRs): مقاومة انخفاضمع متزايد شدة الضوء.
• الثنائيات الضوئيةوصلات شبه موصلة pn؛ قادرة على توليد جهد كهربائي منخفض (في الوضع الكهروضوئي)، أو، في الوضع الأكثر شيوعًا للاستشعار (في الوضع الموصل الضوئي)، يزداد تيارها العكسي مع شدة الضوء. استجابة سريعة.
• الترانزستورات الضوئيةترانزستورات تعمل بالضوء؛ تُولّد الفوتونات تيارًا أساسيًا، مما يُضخّم تيار المُجمّع. حساسيتها أعلى من الثنائيات الضوئية، وأبطأ عمومًا.

التمييز:

• الخلايا الشمسية (الخلايا الكهروضوئية):إنتاج طاقة كهربائية قابلة للاستخدام بشكل نشط، ويتم قياس الكفاءة بمعدل تحويل الطاقة (على سبيل المثال، 15-22% تجاري).
• الخلايا الضوئية: أجهزة استشعار/مفاتيح بشكل أساسي. المخرج هو تغير في المقاومة أو إشارة صغيرة. يُقيّم الأداء بناءً على الحساسية، والنطاق الديناميكي، وأوقات الاستجابة.

التطبيقات

تؤدي الوظائف المميزة للخلايا الشمسية والخلايا الضوئية إلى نشرات مختلفة عبر الصناعات.

التطبيقات الصناعية وعلى نطاق المرافق

الخلايا الشمسية (الألواح الكهروضوئية):

• مزارع الطاقة الشمسية على نطاق المرافق:توليد الكهرباء على نطاق الشبكة.
• أسطح المباني التجارية والصناعية:خفض تكاليف الكهرباء وتحقيق أهداف الاستدامة.
• العمليات الصناعية عن بعد:توفير الطاقة خارج الشبكة للتعدين والاتصالات وما إلى ذلك.

الخلايا الضوئية:

• أنظمة التحكم الآلي: ضوء استشعار للتحكم في العملية، ستائر الأمان.
• مراقبة الجودة والفرز:الكشف عن المنتجات، والتحقق من المحاذاة، وحساب العناصر.
• أنظمة الأمن والمراقبة:تستخدم في أجهزة كشف الحركة وأجهزة الإنذار المحيطية.
• التحكم في إضاءة الشوارع والمناطق:أتمتة الإضاءة استنادًا إلى الضوء المحيط.

التطبيقات الناشئة والمتخصصة

الخلايا الشمسية:

• التكنولوجيا القابلة للارتداء وأجهزة إنترنت الأشياء:تشغيل البطارية أو تمديد عمرها.
• الطاقة الكهروضوئية المتكاملة في المباني (BIPV):الخلايا الشمسية كمواد بناء (نوافذ، واجهات).
• مواصلات:طاقة مساعدة للسيارات الكهربائية والقوارب؛ طاقة أساسية للسيارات/الطائرات بدون طيار التي تعمل بالطاقة الشمسية.
• الزراعة (الطاقة الشمسية):التواجد المشترك مع المحاصيل؛ الطاقة للري عن بعد.
• استكشاف الفضاء:القوة للمركبات الفضائية والبعثات.

الخلايا الضوئية:

• الأجهزة العلمية والتحليلية:قياس الضوء الدقيق في أجهزة قياس الطيف الضوئي، وما إلى ذلك.
• أنظمة الكاميرا المتقدمة:التركيز التلقائي، توازن اللون الأبيض، تثبيت الصورة.
• الأجهزة الطبية:أجهزة قياس الأكسجين في الدم، وأجهزة مراقبة الجلوكوز، والتحكم في العلاج بالضوء.
• حفظ الفن:راقب مستويات الإضاءة في المتاحف.
• الاتصالات البصرية:المفتاح في أجهزة استقبال الألياف البصرية.

خاتمة

على الرغم من أن الخلايا الشمسية والخلايا الضوئية تتفاعل مع الضوء، إلا أنها تخدم أغراضًا تكنولوجية مختلفة. الخلايا الشمسية في المقام الأول توليد الكهرباء من ضوء الشمس من خلال التأثير الكهروضوئي، وهو أمر حيوي للطاقة المتجددة.

الخلايا الضوئية، على العكس من ذلك، تعمل كـ أجهزة استشعار الضوء، تغيير الخواص الكهربائية استجابةً للضوء. وهذا يناسب تطبيقات الكشف والقياس والتحكم، مثل أنظمة الإضاءة والكاميرات الآلية.

مادة تعكس الاختيارات هذه الوظائف: السيليكون للخلايا الشمسية (تحويل الطاقة)؛ مواد مثل CdS أو السيليكون المتخصص للخلايا الضوئية (الحساسية/الاستجابة).

اعتبارات الكفاءة تختلف: نسبة تحويل الطاقة للخلايا الشمسية، والحساسية وزمن الاستجابة للخلايا الضوئية.

يتميز كلا المجالين بديناميكية عالية، إذ يُحسّن البحث والتطوير المستمر الكفاءة والتكلفة والتنوع. ويُعد فهم الاختلافات الجوهرية بينهما أمرًا أساسيًا لاختيار التقنية المناسبة لتسخير الطاقة الشمسية أو تطبيق أنظمة مُستجيبة للضوء.

لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة الشمسية، يُعد التخزين الفعال أمرًا بالغ الأهمية. تقدم شركة Deye ESS حلولاً ممتازة: سلسلة بطاريات الطاقة الشمسية ذات الجهد المنخفض (LV) توفر تخزين بطارية LFP قابل للتطوير للمنازل والشركات الصغيرة، في حين سلسلة الجهد العالي (HV) تُلبّي احتياجات الشركات والمرافق العامة الأكبر. استكشف عروض منتجاتنا اتصل بنا لمزيد من المعلومات!