تقوم الخلايا الشمسية بتحويل طاقة الشمس إلى كهرباء، بنفس الطريقة التي تحول بها النباتات الطاقة الشمسية إلى طعام من خلال عملية التمثيل الضوئي. تعمل الخلايا الشمسية باستخدام الطاقة الشمسية لتمكين الإلكترونات في أشباه الموصلات من الانتقال من مدارات قريبة من نواة الذرة إلى مدارات أعلى، حيث يمكنها توصيل الكهرباء. يستخدم السيليكون كمادة شبه موصلة في الخلايا الشمسية التجارية. في هذه المقالة، سوف تتعلم كيفية صنع خلية شمسية باستخدام المواد الموجودة في متناول اليد، لترى بنفسك كيف تعمل الخلايا الشمسية.
خطوات
تغطية الألواح الزجاجية
1 اجمع بين لوحين من نفس الحجم. يعتبر حجم الألواح الزجاجية المستخدمة لشرائح المجهر مثاليًا لهذه الخطوة.
2 نظف أسطح الألواح الزجاجية بالكحول المحمر. لا تلمس الألواح الزجاجية بعد تنظيفها، وامسكها من حوافها فقط.
3 اختبر أسطح الألواح لتوصيل الكهرباء. قم بتنفيذ هذه الخطوة عن طريق لمس أسطح الألواح الزجاجية بمجسات المالتيميتر، ثم ضع الألواح الزجاجية بجوار بعضها البعض بعد أن تقوم بتمييز الجانب الموصّل لكل لوحة، بحيث يكون السطح الموصل لإحدى الألواح الزجاجية لأعلى و السطح الموصل للوحة الأخرى لأسفل.
4 ضع قطعة من الشريط اللاصق الشفاف على أسطح الألواح الزجاجية. هذه الخطوة هي تثبيت الألواح الزجاجية في موضعها للمرحلة التالية.
- ضع قطعة من الشريط اللاصق على طول حافة الجانب الطويل من الأسطح الزجاجية، بحيث تغطي 1 ملم من الحواف.
- ضع الشريط بحيث يغطي حوالي 4 أو 5 مم من السطح الخارجي للموصل للزجاج اللوحي.
5 ضع محلول ثاني أكسيد التيتانيوم على الأسطح الزجاجية. أضف قطرتين من المحلول إلى السطح الموصل للصفيحة الزجاجية، ثم انشر المحلول بالتساوي على السطح، مما يسمح لمحلول ثاني أكسيد التيتانيوم بتغطية الجزء الموصل من الزجاج السفلي.
- ضع طبقة من أكسيد القصدير على الأسطح الزجاجية قبل خطوة إضافة محلول ثاني أكسيد التيتانيوم.
6 انزع الشريط اللاصق وافصل الألواح الزجاجية عن بعضها البعض. في هذه المرحلة، ستتعامل مع كل سطح من سطحين الزجاج بشكل مختلف.
- ضع السطح الموصل للجزء العلوي من الزجاج على سطح كهربائي ساخن طوال الليل، حتى يتم “خبز” ثاني أكسيد التيتانيوم مجازيًا على سطح الزجاج.
- نظف السطح الموصل للأسطوانة الزجاجية السفلية من ثاني أكسيد التيتانيوم وحافظ عليه بعيدًا عن الغبار.
7 تحضير طبق مسطح مملوء بالصبغة. يمكن تحضير الصبغة من توت العليق أو التوت البري أو عصير الرمان أو نقيع الكركديه.
8 انقع اللوح الزجاجي المطلي بثاني أكسيد التيتانيوم في الصبغة لمدة 10 دقائق، بحيث يكون جانب السطح المطلي لأسفل.
9 نظف السطح الزجاجي الآخر بالكحول. قم بهذه الخطوة بينما لا يزال الزجاج المطلي بثاني أكسيد التيتانيوم منقوعًا في الصبغة.
10 أعد اختبار السطح الزجاجي النظيف لتحديد الجانب الموصل. اكتب علامة الجمع (+) على الجانب غير الناقل.
11 ضع طبقة رقيقة من الكربون على الجانب الموصّل للوحة الزجاجية النظيفة. يمكنك تنفيذ هذه الخطوة عن طريق تلوين السطح بقلم رصاص أو قلم جرافيت، وتأكد من تغطية السطح بالكامل جيدًا.
12 استخرج الزجاج المطلي بثاني أكسيد التيتانيوم من الصبغة. ثم اغسله مرتين على التوالي. أولاً بالماء منزوع الأيونات، ثم اغسله بالكحول، ثم جفف السطح الزجاجي بالتربيت برفق بمنديل نظيف.
تجميع الخلايا الشمسية
1 ضع السطح المطلي بالكربون أعلى السطح المطلي بثاني أكسيد التيتانيوم بحيث يتلامس الطبقتان. يجب أن تكون الألواح الزجاجية متباعدة قليلاً، حوالي 5 مم. استخدم مشابك الورق على الحواف الطولية لتثبيت الألواح معًا.
2 ضع قطرتين من محلول اليوديد على الطبقة المعرضة للهواء. اسمح للمحلول بالاختراق بين الألواح الزجاجية حتى يتم تغطيتها بالكامل. قد تحتاج إلى فتح مشابك الورق ورفع أحد الألواح الزجاجية قليلاً للسماح لمحلول اليوديد بالانتشار على السطح بالكامل.
- يتسبب محلول اليوديد في تدفق الإلكترونات من طبقة ثاني أكسيد التيتانيوم إلى طبقة الكربون عندما تتعرض الخلية لمصدر ضوئي. يسمى هذا النوع من المحلول بمحلول إلكتروليت أو إلكتروليت.
3 امسح المحلول الزائد عن الأسطح المكشوفة للألواح الزجاجية.
تفعيل واختبار الخلايا الشمسية
1 اربط مشبك التمساح بالطبقات المكشوفة لوجه واحد للخلية الشمسية.
2 قم بتوصيل السلك الأسود من جهاز القياس المتعدد بالمشابك المتصل بالجزء المكشوف من طبقة ثاني أكسيد التيتانيوم. بهذه الخطوة، تصبح هذه اللوحة الزجاجية هي القطب السالب للخلية الشمسية، أو ما يسمى “الكاثود”.
3 قم بتوصيل السلك الأحمر من جهاز القياس المتعدد بالمشابك المتصل بالجزء المكشوف من طبقة الكربون. تصبح اللوحة الزجاجية القطب الموجب للخلية الشمسية، أو “الأنود”. لاحظ أنه في المرحلة السابقة قمت بتمييز (+) على السطح غير الموصّل.
4 ضع الخلية الشمسية بالقرب من مصدر الضوء، بحيث يكون القطب السالب مواجهًا لمصدر الضوء. يمكن القيام بهذه الخطوة في معمل المدرسة عن طريق وضع الخلية فوق عدسة جهاز عرض، ويمكن استخدام ضوء كشاف في المنزل كبديل لأشعة الشمس المباشرة.
5 قم بقياس فرق الجهد الناتج عن الخلية الشمسية باستخدام جهاز القياس المتعدد. كرر القراءات قبل وبعد تعريض الخلية الشمسية للضوء.
أفكار مفيدة
- يمكنك أيضًا صنع خليتك الشمسية باستخدام شريحتين صغيرتين من النحاس المصقول، ووضعهما على سطح ساخن لمدة نصف ساعة حتى يتحول النحاس إلى اللون الأسود، ثم أزل الطبقة المؤكسدة السوداء بعد أن يبرد النحاس. اترك طبقة أكسيد النحاس الأحمر التي تتكون تحتها لتعمل كطبقة شبه موصلة. بهذه الطريقة، لن تحتاج إلى تغطية الشرائح النحاسية بأي شيء، ويمكنك استخدام الماء المالح كإلكتروليت.
تحذيرات
- لا تنتج الألواح الزجاجية المطلية بالأكسيد أو الأشرطة النحاسية شبه الموصلة كميات كبيرة من الطاقة. يستخدم السيليكون كمواد شبه موصلة لأنه أكثر كفاءة من المواد المستخدمة في هذه المقالة، وحتى خلايا السيليكون الفردية يتم تجميعها في ألواح شمسية أكبر من الخلايا المفردة.
الأشياء التي سوف تحتاجها
ألواح زجاجية (مثل شرائح المجهر)
الكحول (يفضل الإيثانول)
الماء منزوع الأيونات
الفولتميتر أو المتر
شريط لاصق شفاف
لوحة مسطحة
لوح تسخين كهربائي (يفضل 1100 واط، إن أمكن)
ثاني أكسيد التيتانيوم
محلول أكسيد القصدير (اختياري)
قلم جرافيت أو قلم رصاص أو عصا شحم
محلول يوديد
مشابك الورق
مقاطع فك التمساح