كيفية صناعة ألواح الطاقة الشمسية

كيفية صناعة ألواح الطاقة الشمسية

تُعدّ ألواح الطاقة الشمسية من الحلول المستدامة والمهمة في مجال الطاقة المتجددة، حيث تساهم في توفير مصدر طاقة نظيف وموثوق يمكن استخدامه في العديد من التطبيقات سواء في المنازل أو الصناعات أو حتى على مستوى المشاريع الكبيرة. صناعة ألواح الطاقة الشمسية عملية معقدة تتطلب تكنولوجيا متقدمة، وعناصر خام ذات جودة عالية، بالإضافة إلى خطوات عديدة لضمان كفاءة اللوح الشمسي في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام.

1. مقدمة عن ألواح الطاقة الشمسية

ألواح الطاقة الشمسية هي أجهزة مصممة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية من خلال ظاهرة تعرف بـ “التأثير الكهروضوئي”، حيث تستخدم الخلايا الشمسية (الخلايا الكهروضوئية) لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. تتكون هذه الألواح من خلايا شمسية مصنوعة عادة من السيليكون، وتعتبر من أفضل المواد المستخدمة في صناعة الألواح بسبب قدرتها العالية على امتصاص الضوء وتحويله إلى طاقة.

2. المواد الخام المستخدمة في صناعة الألواح الشمسية

تتطلب صناعة الألواح الشمسية مجموعة من المواد الخام التي يجب أن تتمتع بمواصفات معينة لضمان كفاءة اللوح الشمسي. أهم هذه المواد هي:

• السيليكون: يعتبر السيليكون العنصر الأساسي في صناعة الخلايا الشمسية، وهو مادة شبه موصلة للتيار الكهربائي. السيليكون موجود في الطبيعة بكثرة، ويأتي عادة في شكل معدن السيليكا الذي يتم استخراجه من الرمال.

• الزجاج: يستخدم الزجاج في تغليف الألواح الشمسية ليحمي الخلايا من الظروف الجوية مثل الأمطار والغبار، كما يسمح للضوء بالمرور إلى الخلايا الشمسية.

• الإطار المعدني: يُستخدم الألومنيوم بشكل رئيسي كإطار حول اللوح الشمسي لأنه خفيف وقوي في نفس الوقت، مما يساعد على دعم وحماية الألواح.

• المواد اللاصقة والموصلات الكهربائية: يتم استخدام مواد خاصة لتوصيل الأقطاب الكهربائية داخل الخلايا الشمسية وضمان نقل الكهرباء بشكل فعال.

3. مراحل صناعة الألواح الشمسية

عملية تصنيع الألواح الشمسية تتطلب عدة مراحل متسلسلة ودقيقة تبدأ من استخراج السيليكون وتنتهي بتصنيع الألواح الجاهزة للاستخدام. وفيما يلي المراحل الرئيسية لهذه العملية:

3.1. استخراج السيليكون وتحويله إلى مادة نقية

تبدأ عملية تصنيع الألواح الشمسية باستخراج السيليكون من الرمل (السيليكا) عبر عملية تسمى “التحويل إلى سيليكون من الدرجة العالية”. يتطلب هذا معالجته باستخدام الحرارة العالية، حيث يتم تسخين السيليكا مع الفحم إلى درجات حرارة تصل إلى حوالي 2000 درجة مئوية لإنتاج سيليكون عالي النقاء.

3.2. صناعة الواح السيليكون

يتم بعدها تحويل السيليكون النقي إلى ألواح سيليكون أو رقائق رقيقة (wafer)، وهي الشكل الذي يتم معالجته لاحقًا لتكوين الخلايا الشمسية. تُستخدم آلة قطع دقيقة لفرم السيليكون إلى شرائح رقيقة جدًا، عادة ما تكون بسماكة تتراوح بين 180 ميكرون إلى 200 ميكرون.

3.3. زرع الخلايا الشمسية في الألواح

في هذه المرحلة، يتم معاملة ألواح السيليكون ليتم زرع خلايا كهروضوئية فيها. يتم معالجة كل شريحة سيليكون بطبقة رقيقة من المواد المانحة للإلكترونات (الفوسفور)، مما يجعلها قادرة على امتصاص الضوء الشمسي وإنتاج التيار الكهربائي. بعد هذه العملية، يتم تركيب طبقة إضافية من المواد المتلقيّة للإلكترونات (البورون)، وذلك لإنشاء فجوات في الشبكة البلورية للسيليكون.

3.4. توصيل الخلايا في سلاسل

تتم عملية توصيل الخلايا الشمسية بعضها ببعض لتشكيل سلسلة من الخلايا. يتم توصيل الخلايا مع بعضها عبر أسلاك رفيعة تُثبت على أطراف الخلايا. هذا يتيح توصيل الكهرباء الناتجة من كل خلية لتكون طاقة قابلة للاستخدام.

3.5. تركيب الألواح الشمسية

بعد تجميع الخلايا الشمسية في سلاسل، يتم تركيب هذه السلاسل داخل الإطار المعدني الذي يثبت الزجاج الواقي في الجهة الأمامية. يهدف هذا الزجاج إلى حماية الخلايا الشمسية من العوامل البيئية مثل المطر أو الغبار مع السماح في نفس الوقت بمرور ضوء الشمس إلى الخلايا. يتم أيضًا تركيب أسلاك وموصلات كهربائية في الألواح لضمان انتقال التيار الكهربائي من الخلايا إلى النظام الكهربائي.

3.6. اختبار الألواح الشمسية

بعد تصنيع الألواح، يتم اختبارها للتأكد من أنها تعمل بشكل صحيح. تشمل هذه الاختبارات قياس قدرة اللوح على تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية، وضمان استقراره تحت ظروف الطقس المختلفة مثل الرياح والأمطار.

4. تقنيات تصنيع الألواح الشمسية

توجد عدة تقنيات مستخدمة في تصنيع الألواح الشمسية، وكل واحدة منها لها مزايا وعيوب. أبرز هذه التقنيات هي:

4.1. الخلايا الشمسية أحادية البلورية

تُصنع الخلايا الشمسية أحادية البلورية من السيليكون النقي الذي يتم نموه في شكل بلورة واحدة. تعد هذه الخلايا أكثر كفاءة في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء مقارنة بالخلايا متعددة البلورات، لكنها تتطلب عملية تصنيع أكثر تعقيدًا وتكلفة أعلى.

4.2. الخلايا الشمسية متعددة البلورات

تُصنع الخلايا الشمسية متعددة البلورات من السيليكون الذي يتم صهره ثم تبريده في قوالب متعددة البلورات. على الرغم من أن كفاءتها أقل من الخلايا أحادية البلورة، فإن تكلفتها أقل، مما يجعلها خيارًا شائعًا في العديد من التطبيقات التجارية.

4.3. الخلايا الشمسية ذات الأفلام الرقيقة

تُصنع هذه الخلايا عن طريق رش أو تبخير مادة شبه موصلة على سطح رقيق، مثل الزجاج أو البلاستيك. على الرغم من أنها أقل كفاءة من الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون، إلا أن هذه الخلايا تعتبر أقل تكلفة ويمكن تصنيعها في أشكال مرنة.

5. فوائد واستخدامات ألواح الطاقة الشمسية

يتم استخدام ألواح الطاقة الشمسية في العديد من التطبيقات، بدءًا من المنازل التي تعتمد على هذه الألواح لتوفير الكهرباء، وصولًا إلى المشاريع التجارية والصناعية الكبرى. تتمثل أبرز فوائد ألواح الطاقة الشمسية في:

• الطاقة المتجددة والنظيفة: تعتبر الطاقة الشمسية مصدرًا غير ملوث للطاقة، ولا تنبعث منها أي غازات دفيئة.

• الاستدامة: الطاقة الشمسية مصدر طاقة غير محدود طالما أن الشمس تشرق، ما يجعلها أحد المصادر الأكثر استدامة.

• توفير التكاليف: على الرغم من أن تكلفة تركيب الألواح الشمسية قد تكون مرتفعة في البداية، فإن تكاليف تشغيلها منخفضة جدًا، ويمكن للألواح أن تسهم في توفير الطاقة وتخفيض الفواتير الشهرية.

6. التحديات والمستقبل

رغم التطورات الكبيرة في صناعة الألواح الشمسية، إلا أن هناك بعض التحديات التي تواجه هذا المجال. من أهم هذه التحديات هو التكلفة المرتفعة للتصنيع في بعض الأحيان، خاصة في تقنيات الخلايا الشمسية أحادية البلورة. كما أن تخزين الطاقة يمثل تحديًا آخر، حيث يتطلب استخدام الطاقة الشمسية تخزين الكهرباء المولدة في البطاريات لاستخدامها في فترات الليل أو في الأيام الغائمة.

لكن مع تقدم البحث والتطورات التكنولوجية المستمرة في هذا المجال، من المتوقع أن يتم تحسين كفاءة الألواح الشمسية وتقليل تكاليف تصنيعها بشكل ملحوظ في السنوات القادمة.