بالرغم من أن تقنيات تصنيع الخلايا والألواح الشمسية الكهروضوئية تطورت مع الوقت لتشمل تطورات مثل تقنية بيرك PERC والتي حسنت كفاءة الخلايا الشمسية بشكل كبير، والخلايا ذات الوجهين Bifacial والتي سمحت بتوليد الكهرباء من كلا الوجهين في الخلية، إلا أن نمط الخلايا الكهروضوئية P-Type هيمن على معظم الخلايا المصنعة عالمياً خلال العقود الأربعة الماضية.
نقوم في هذا المقال التعليمي بتوضيح مبدأ عمل الخلايا الشمسية الكهروضوئية من نمط P، ومن ثم توضيح مبدأ عمل الخلايا من نمط N والتي تعد البديل المباشر للنمط P، ومن ثم نقوم بعقد مقارنة فيما بين النمطين.
فهرس
الخلايا الشمسية الكهروضوئية من نمط P
يرمز حرف P إلى كلمة Positive ويعني أن حاملات الشحنة في نصف الناقل تعتبر موجبة ويتم تشكيلها كالتالي:
ترتبط ذرة من العمود الرابع في الجدول الدوري والتي تحتوي على 4 الكترونات حرة في مدارها الخارجي مع ذرة من العمود الثالث في الجدول الدوري والتي تحتوي على 3 الكترونات. عند الإشابة تتشكل روابط بين ثلاث الكترونات مع مقابلاتها ويبقى الكترون دون رابطة مما يسبب تشكل ثقب مكان الالكترون وعند وضع العديد من الذرات يتشكل العديد من الثقوب وتكون شحنتها موجبة وهي التي تقوم بنقل الكهرباء، فعند تعرض الخلية للإشعاع الشمسي يتحرك الالكترون من ذرة باتجاه الثقب ويتشكل ثقب جديد مكان الالكترون المنتقل وعليه يتولد التيار الكهربائي ويسير بالدارة.
تسمى الناقلية هنا بالناقلية الثقوبية أي أنها تعتمد على الثقوب وتعتبر حاملات الشحنة الأكثرية في حين الالكترونات تشكل حاملات الشحنة الأقلية.
الخلايا الشمسية الكهروضوئية من نمط N
يرمز حرف N إلى كلمة Negative ويعني أن حاملات الشحنة في نصف الناقل هي سالبة وهي الالكترونات نفسها ويتم تشكيلها بطريقة مشابهة للخلايا نمط P ولكن يقع الاختلاف في كون الذرات المستخدمة هي ذرات من العمود الرابع من الجدول الدوري مع ذرات من العمود الخامس تحتوي على 5 الكترونات في مدارها الخارجي. وعند الإشابة يبقى الكترون زائد دون رابطة حيث يتم تشكيل 4 روابط بين 8 الكترونات وهذا الالكترون يكون حراً. ينتقل عند تعرض الخلية للإشعاع الشمسي مسبباً تشكيل التيار الكهربائي.
تسمى الناقلية هنا بناقلية الالكترونات وتعتبر الالكترونات حاملات الشحنة الأكثرية.
لماذا تهيمن الخلايا من نمط P-Type على سوق الألواح الشمسية الكهروضوئية على حساب الخلايا من نمط N-Type؟
على الرغم من أن أول خلية شمسية في التاريخ كانت من نمط N، ففي يومنا هذا تعد الخلايا من نمط P هي الأساس في صناعة الخلايا الشمسية والألواح، وهنا نجيب عن السبب في ذلك.
وفي البداية كانت الهدف من الألواح الشمسية أن تؤمن الطاقة الكهربائية للمحطات الفضائية والأقمار الاصطناعية وكان العلماء قد وجدوا أن الخلايا من نمط P تتميز بقدرة أكبر على مقاومة الإشعاعات وأقل عرضة للتآكل والتلف بسبب زمن الاستخدام الطويل مما جعل التوجه في التصنيع والتطوير يرتكز على الخلايا نمط P.
بالرغم من ذلك فإن مصنعي الألواح الشمسية مازالوا يعملون على تطوير الخلايا نمط N وتصنيع الألواح منها لما تقدمه من ميزات مثل مناعة هذه الخلية للأثار الناتجة عن تفاعل الاوكسجين مع البورون (Boron and Oxygen Defects) لكونها تعتمد على الفوسفور عنصر مشيب بدلاً من البورون والذي يسبب انخفاض في كفاءة الخلية مع الوقت كما يقلل من نقاوة الخلية كما يحدث في الخلايا نمط P.
مقارنة خلايا P-Type مع N-Type
| الخصائص | P-Type | N-Type |
| عنصر الإشابة | البورون | الفسفور |
| نوع الناقلية | ناقلية ثقوبية | ناقلية الالكترونات |
| الوضع الحالي في السوق | التقنية مسيطرة على السوق العالمي | التصنيع التجاري قليل |
| الكفاءة | أقل لعدة أسباب مثل تفاعل الاوكسجين مع البورون | أعلى بسبب عدم استخدام البورون كمشيب وبسبب عدم التعرض لمشاكل مثل LID |
| مشكلة LID « Light Induced Degradation effect» | نعم | لا |
| التكلفة | أخفض بسبب الكمية الكبيرة المنتجة | أعلى بسبب قلة البحوث و الإنتاج التجاري |
| التطور المستقبلي | يتوقع بأن تقل نسبة هيمنة هذه التقنية مع الوقت ولكن من الصعب التنبؤ ما إن كانت هذه التقنية ستبقى موجودة خلال العشرة أعوام القادمة | التطور المستقبلي يتعلق بقدرة المصنعين على تخطي مشاكل الجودة و حاجز السعر |
خلاصة
تبين المخطط البياني لتكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية (ITRPV)، أن حصة خلايا نمط P من السوق ستبلغ حوالي 30% بحلول عام 2028، بينما حصة الخلايا نمط N سترتفع لتقارب 28% في حين كانت تبلغ 5% في عام 2017.
هذا يعود لكون توجه السوق يتجه نحو الحصول على الخلايا ذات الكفاءة الأعلى في الوقت الحالي ويعمل المصنعون على تأمين هذه المتطلبات والمتوفرة في خلايا نمط N بالمقارنة مع خلايا نمط P، ولايبدو واضحاً بعد إذا كانت خلايا من نمط N ستسيطر على السوق مقابل خلايا نمط P أو سيصبح السوق مكوناً من كلا النمطين بحيث كل مستخدم يختار مايناسبه، ومؤخراً أعلنت شركة جنكو سولار الصينية عن لوحها الأسود بالكامل وهو من خلايا نمط N.
نتمنى لكم يوما مشمساً!
