تعتبر الرمال مصدرًا مهمًا للسيليكا، وهي المادة الخام الأساسية التي تدخل في صناعة الألواح الشمسية. وتستخدم الألواح الشمسية لتحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية، وتعتبر واحدة من أهم التقنيات المستخدمة في توليد الطاقة المتجددة. وخلال هذا المقال سنتعرف على جميع خطوات عملية تصنيع الألواح الشمسية.
خطوات استخلاص الرمل لاستخدامه في إنتاج الألواح الشمسية
هناك عدة خطوات يجب اتباعها للحصول على نوع خاص يتناسب مع إنتاج الألواح الشمسية، هذه الخطوات تتضمن:
1- استخلاص السيليكا
لبناء الألواح الشمسية يجب استخراج الرمال الغنية بالسيليكا من الرواسب الطبيعية، مثل: مناجم الرمال أو المحاجر؛ حيث تتكون الرمال غالبًا من الكوارتز، وهو شكل من أشكال السيليكا البلورية.
يتم غسل الرمال لإزالة الشوائب، مثل: الطين والمواد العضوية والمعادن الأخرى. ثم يتم تكريره باستخدام طرق المعالجة الكيميائية. إحدى الطرق الشائعة هي ترشيح الحمض؛ حيث يتم خلط الرمل بمحلول حمضي -مثل حمض الكبريتيك- لإذابة الشوائب وفصل السيليكا.
بعد ذلك يتم تسخين السيليكا في درجات حرارة عالية، عادةً في الفرن؛ للتخلص من أي مادة عضوية متبقية وتحويلها إلى سيليكا عالية النقاء.
اقرأ أيضًا:
تطوير مجموعة من الألواح الشمسية لتعمل ليلًا
2- إنتاج البولي سيليكون
السيليكا عالية النقاء هي المفتاح لإنتاج البولي سيليكون، المعروف أيضًا باسم “السيليكون متعدد الكريستالات”. ويستخدم هذا الشكل عالي النقاء من السيليكون كمادة خام للخلايا الشمسية.
وللحصول عليه يتم خلط رمل الكوارتز المنقى بمواد غنية بالكربون، مثل: الفحم أو كوك البترول. بعد ذلك يتم تعريض الخليط لتيار من غاز الكلور عند درجات حرارة عالية، مكونًا ثلاثي كلورو سيلان (SiHCl3). هذه العملية تسمى “الكلورة”.
تتم معالجة تريكلوروسيلان، نتيجة المعالجة بالكلور، بتقنيات التقطير والتنقية. وفي عملية التقطير يتم تسخين ثلاثي كلورو سيلان لفصل مكوناته. ثم يتم تحويل ثلاثي كلورو سيلان المنقى مرة أخرى إلى سيليكون عالي النقاوة؛ عن طريق التفاعل مع غاز الهيدروجين (H2). هذه العملية تنتج البولي سيليكون.
ويتطلب إنتاج البولي سيليكون إجراءات صارمة لضمان الجودة ومستويات النقاء العالية اللازمة لتحقيق الأداء الأمثل للخلايا الشمسية.
3- إنتاج سبائك السيليكون
يتم صهر البولي سيليكون في بوتقة أو فرن تحت ظروف خاضعة للرقابة. وتتم صيانة البولي سيليكون المصهور بعناية في درجات حرارة عالية لضمان التجانس والاتساق.
ويتم بعد ذلك ترسيخ البولي سيليكون المنصهر بواسطة عملية نمو بلورية تُعرف باسم طريقة (Czochralski). ثم يتم غمس بلورة البذور، التي تُصنع عادةً من بلورة واحدة من السيليكون عالي النقاء، في البولي سيليكون المصهور وتُسحب ببطء أثناء الدوران.
وعندما يتم رفع بلورة البذور فإنها تشكل شكلًا أسطوانيًا وترسم البولي سيليكون المصهور. بعد ذلك يتم تبريد هذه الكتلة السائلة في عملية التصلب الاتجاهي؛ حتى تشكل سبيكة كبيرة الحبيبات متعددة البلورات والسيليكون.
يتم بعد ذلك تقطيع سبائك السيليكون ميكانيكيًا إلى رقائق دائرية رفيعة باستخدام تقنيات النشر الدقيقة. ويبلغ سمك هذه الرقائق عادة حوالي 200-300 ميكرو متر ويبلغ قطرها 150-200 ملم. الرقائق الأكبر -التي يبلغ قطرها 300 ملم أو أكثر- تكون أكثر كفاءة.
ثم يجب أن تخضع الرقاقات المقطعة إلى العديد من عمليات المعالجة السطحية لإزالة أي شوائب أو خشونة أو عيوب. ويتضمن ذلك النقش الكيميائي لإزالة الضرر الميكانيكي لسطح الرقاقة، والتلميع باستخدام مادة كاشطة الألومينا في آلة اللف لتحسين التوازي السطحي، والتنظيف لضمان أن سطح الرقاقة ناعم ونظيف ومُحسَّن للمعالجة اللاحقة.
بعد ذلك تُغمر الرقائق التي تم تنظيفها وفحصها بمواد معينة، مثل الفوسفور أو البورون، لتوليد خصائص كهربائية مختلفة.
ثم تمر الرقاقات بعملية التخميل لتحسين كفاءتها وتقليل إعادة التركيب السطحي. يتضمن التخميل وضع طبقة رقيقة من مادة عازلة، مثل: نيتريد السيليكون أو ثاني أكسيد السيليكون، على سطح الرقاقة لتقليل إعادة تركيب الإلكترون والثقوب، وبالتالي تعزيز الأداء العام للخلايا الشمسية.
تعمل الرقاقات المنتجة من سبائك السيليكون بمثابة اللبنات الأساسية للخلايا الشمسية الفردية. وتخضع هذه الرقائق لمزيد من التصنيع، بما في ذلك وضع الملامسات، والطلاءات المضادة للانعكاس، والطبقات الأساسية الأخرى، مغلفة بالزجاج ومغلفات البوليمر، والتصفيح لتحويلها إلى خلايا شمسية تعمل بكامل طاقتها.
وتحتوي اللوحة النهائية على إطار وحافة مانعة للتسرب وصندوق توصيل. ويتم أيضًا تشغيل الكابلات الكهربائية التي تحمل التيار من لوحة إلى أخرى.
وبذلك تشكل هذه الخلايا الشمسية المترابطة والمغلفة والمجمعة وحدات أو ألواح شمسية كاملة، يتم تثبيتها بعد ذلك في المنازل والمباني الأخرى.
اقرأ أيضًا:
تطوير طريقة جديدة للحفاظ على الألواح الشمسية خالية من الغبار