مبدأ إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية

باعتبارها نوعًا من أنواع الطاقة المتجددة المستدامة، فإن آفاق الطاقة الشمسية واعدة للغاية. يمكن استخدامها في أي مكان تشرق فيه الشمس. في حياة الناس العاديين، باستثناء سخانات المياه الشمسية، وأعمدة إنارة الشوارع الشمسية، وبعض إشارات المرور الطارئة، والعوامات، وما إلى ذلك.

قد يتبادر إلى ذهن بعض الأصدقاء سؤال: لماذا توجد لوحة شمسية، وهل يمكن توليد الكهرباء في ظل ظروف ضوء الشمس الكافي؟ فيما يلي، سيجيب تشانغ هوي على هذا السؤال للجميع.

تستخدم الألواح الشمسية عمومًا مكونات حساسة للضوء، قادرة على تحويل الطاقة الضوئية إلى كهرباء. أكثر هذه المكونات شيوعًا هو السيليكون، أحد أكثر المواد وفرة على كوكبنا، والذي يتميز بخصائص أشباه الموصلات. وقد وضع السيليكون الأساس لعملية التحويل الكهروضوئي في الألواح الشمسية.

لكن أول ما يجب فهمه هو أن موصلية السيليكون النقي ضعيفة للغاية، إذ لا توجد إلكترونات حرة الحركة في بنيته البلورية. ولتحسين موصليته، يُطعّم السيليكون النقي عادةً بآثار ضئيلة من الشوائب. وبناءً على هذه الخاصية، يُمكن تصنيعه في أجهزة موصلة مختلفة.

يُضاف عادةً الفوسفور أو البورون إلى السيليكون المستخدم في صناعة الألواح الشمسية. عند إضافة البورون، تتكون فجوة في بلورة السيليكون، لأن ذرة السيليكون الأصلية محاطة بأربعة إلكترونات، بينما ذرة البورون محاطة بثلاثة إلكترونات فقط. بعد مزجهما في البنية البلورية الأصلية، تتولد فجوات. هذه الفجوات خالية من الإلكترونات وغير مستقرة، مما يجعلها سهلة الامتصاص، وبالتالي تُشكل شبه موصل من النوع P.

بعد تطعيم بلورة السيليكون بشوائب الفوسفور، ونظرًا لوجود خمسة إلكترونات حول ذرة الفوسفور، يصبح الإلكترون الإضافي نشطًا للغاية، مما يُشكّل شبه موصل من النوع N. يحتوي كل من شبه الموصل من النوع P وشبه الموصل من النوع N على العديد من الفجوات، مما يُؤدي إلى وجود العديد من الإلكترونات الحرة النشطة. عند تلامسهما، تبحث هذه الإلكترونات الحرة عن الفجوات وتملأها. يُشكّل سطح التلامس بينهما فرق جهد، أي وصلة PN. يحمل جانب النوع P شحنات كهربائية موجبة وسالبة، بينما يحمل جانب النوع N شحنة موجبة.

عند استقبال الضوء، تنتقل الطاقة الموجودة فيه إلى أشباه الموصلات. هذه الطاقة تعمل على إرخاء بنية الإلكترونات وتسمح لها بالتحرك بحرية.

يحدث هذا لأن طاقة الضوء تفصل الإلكترون عن الفجوة. عادةً، يُطلق فوتون ذو طاقة معينة إلكترونًا، مما يُشكّل فجوة حرة. إذا حدث هذا على سطح التلامس المجاور، فعند انجذاب الإلكترونات بفعل المجال الكهربائي الداخلي، تتدفق إلى المنطقة السالبة (n)، بينما تتدفق الفجوات إلى المنطقة الموجبة (p)، مُشكّلةً تيارًا كهربائيًا من المنطقة السالبة إلى المنطقة الموجبة. يُولّد هذا التيار جهدًا كهربائيًا، مما يُنتج طاقة كهربائية، وبالتالي وظيفة الشحن.