كيف تعمل (تصنع) خلية شمسية بنفسك في البيت

[center](كيف تعمل (تصنع) خلية شمسية بنفسك في البيت How to make a solar cell at home)


طريقة صنع خلية شمسية

الخلية الشمسية هي أداة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء.

الخلية الشمسية هذه تصنع من أكسيد النحاس الأحادي Cu2O - أكسيد كيوبروس Cuprous Oxide بدلا من سيليكون.

أكسيد كيوبروس واحد من أوائل المواد التي عرفت بتأثرها الكهروضوئي، الذي يسبب فيه الضوء لبتدفق الكهرباء في المادة.

المواد المطلوبة لتصنيع الخلية الشمسية: Materials you will need:


1. صفيحة نحاسية لماعة sheet of copper flashing (مساحتها حولي نصف قدم مربع).

2. عدد 2ماسك فك التمساح alligator clip leads .

3. جهاز أميتر حساس micro-ammeter (يمكن أن يقرأ التيارات بين 10 - 50مايكرو أمبير).

4. سخان كهربائي electric stove أو مسخن القرص حار hot-plate burner صغير عدد - واحد

5. قنينة بلاستيكية شفافة clear plastic bottle سعة 2 لتر .

6. ملح المائدة Table salt .

7. ماء حنفية Tap water .

8. ورقة رمل (صنفرة) Sand paper .

9. مقص معادن metal shears لقص اللوح المعدني (لقطع الصفحة النحاسية).

كيف تبنى الخلية الشمسية؟ How to build the solar cell ?


الخطوة الأولى هو قص قطعة من النحاس بمساحة حوالي قرص المشعل. والتأكد من نظافتها وخلوها من إي زيوت أو شحوم, يستعمل ورق الصقل لتأكد من خلوها من أي تأكل أو كبريتيد, وأن وجد فالتأكد من أزالته.
توضع الصفيحة النحاسية المنظفة والمجففة جيدا على المشعل ويوقد المشعل لأعلى درجة.
بينما النحاس يبدأ بالسخونة، سيلاحظ بدأ بتشكيل أنماط الأكسدة الجميلة, البرتقالي، أرجواني، والأحمر والتي ستغطي النحاس.
بينما تزداد درجة حرارة النحاس، ستستبدل الألوان بطبقة سوداء من أكسيد كيوبروس Cuprous Oxide . هذا ليس الأكسيد الذي نريده، لكنه سيتقشر فيما بعد، وسنرى الألوان الأحمر، البرتقالي، الوردي، والأرجواني طبقة أكسيد كيوبروس
سيختفي اللون الأخير عندما يبدأ المشعل بالتوهج بالون الأحمر.
عندما يتوهج المشعل لسخونته العالية, ستكسى القطعة النحاسية بطبقة من أكسيد كيوبروس الأسود, تترك لتسخن لمدة نصف ساعة, لذا ستسمك الطبقة السوداء وهذا مهم لأنه سيساعد بتقشير الطبقة المتكونة بشكل سهل, لأنه في حالة أن تكون الطبقة خفيفة فستبقى ملتصقة بقطعة النحاس.
بعد نصف ساعة من التسخين، يطفئ المشعل. ويترك النحاس الحار على المشعل ليبرد ببطء. فإذا كان تبريد القطعة بسرعة، فستبقى طبقة الأكسيد الأسود ملتصقة وستتمسك بالنحاس.
بينما تبرد قطعة النحاس، سينكمش الأكسيد النحاسي الأسود أيضا. لكن بنسبة انكماش مختلفة، وهي التي ستساعد على تقشير رقاقة الأكسيد النحاسية السوداء.
ستتفرقع pop off الرقائق السوداء الصغيرة من النحاس بالقوة الكافية لتجعلها تطير لبضعة بوصات. (هذا يعني لزوم جهد أكثر بعض الشيء لتنظيف المنطقة حول الموقد).
عندما يبرد النحاس إلى درجة حرارة الغرفة (وهذا يأخذ حوالي 20 دقيقة)، أغلب الأكسيد الأسود سيذهب بالحك الخفيف باليد تحت الماء الجاري وهذا سيزيل أغلب القطع الصغيرة, قاوم الإغراء للإزالة كل البقع السوداء بالحك الشديد أو بثني النحاس الناعم, وهذا قد يتلف طبقة أكسيد كيوبروس الحساسة الحمراء والتي سنحتاجها لصنع الخلية الشمسية التي نعمل عليها.
أقطع صفيحة أخرى من النحاس بنفس حجم الصفيحة الأولى, أحن (قوس) كلتا القطعتين بلطف، بحيث تلاءمان شكل الداخلي للقنينة البلاستيكية و بدون أن تلامس أحدهما الآخر, ومن الأفضل أن تكون طبقة أكسيد كيوبروس) التي حصلنا عليها من فوق المشعل) أن تواجه الجانب الخارجي من الجرة، لأن لها السطح الأنظف والأنعم.
أربط ماسكي فك التمساح، واحد إلى الصفيحة النحاسية الجديد، وواحد إلى الصفيحة المكسية بأكسيد كيوبروس . أوصل سك من الصفيحة النحاسية النظيفة إلى النقطة الطرفية الموجبة لجهاز الملتي ميتر ( المايكرو ميتر (micro-ammeter, أوصل السلك من الصفيحة ذات طبقة أكسيد كيوبروس إلى النقطة الطرفية السالبة الملتي ميتر.
أمزيج ملعقتي طعام من الملح إلى قليل من ماء الحنفية الحار, حرك الماء حتى يذوب كل الملح. ثم يصب الماء المالح بعناية في الجرة، يجب مراعاة الحذر حتى لا تتبلل ماسكات فك التمساح, الماء المالح يجب أن لا يغطي الصفحتين بالكامل حيث يجب ترك حوالي بوصة واحدة من الصفحتين فوق مستوى الماء, بحيث يمكن أن تحرك الخلية الشمسية بدون أن تتبلل ماسكات فك التمساح.
الخلية الشمسية في الظل بينما أخذت الصورة, لاحظ قراءة التيار في الملتي ميتر هي 6 مايكرو أمبير.
إن الخلية الشمسية هي عبارة عن بطارية تعمل حتى في الظلام وتعطي تيار كهربائي مقداره بضعة مايكرو أمبيرات عادة.
لاحظ الصورة للخلية الشمسية عند شروق الشمس فقراءة الملتي ميتر ستقفز إلى حوالي 33 مايكرو أمبير وأحيانا تصل إلى 50 مايكرو أمبير.


ألوان الأكاسيد

الخلية في الظل

الخلية في النور

كيف تعمل هذه الخلية؟ How does it Work's?

أكسيد كيوبروس نوع من المواد الشبه موصلة semiconductor. يتصرف الشبه موصل كموصل عندما تمر الكهرباء (التيار الكهربائي) بحرية, ويتصرف كعازل عندما ترتبط الذرات بأحكام فلا يتدفق التيار بحرية. في شبه موصل هناك فجوة تسمى band gap بين الإلكترونات التي ترتبط بإحكام إلى الذرة، والإلكترونات التي أبعد من الذرة، والتي يمكن أن تتحرك بحرية وتجري كهرباء.

الإلكترونات لا تستطيع بقاء في الداخل band gap. الإلكترون لا يستطيع كسب قليل من الطاقة ويبتعد عن نواة الذرة إلى band gap, الإلكترون يجب أن يكسب طاقة كافية للتحرك على نحو إضافي بعيدا عن النواة، خارج band gap.

بنفس الطريقة، الإلكترون خارج band gap لا يستطيع فقد قليل من الطاقة والسقوط فقط أقرب قليلا إلى النواة. فهو يجب أن يفقد طاقة كافية لسقوط في band gap إلى المنطقة المسموحة للالكترونات.

عندما يضرب ضوء الشمس الإلكترونات في أكسيد كيوبروس ، تكسب البعض من الإلكترونات الطاقة الكافية من ضوء الشمس لقفز band gap وتصبح حرة لجري الكهرباء.

تتحرك الإلكترونات الحرة إلى الماء المالح، ثم إلى الصفيحة النحاسية النظيفة فإلى السلك من خلال المقياس، وتعود إلى صفيحة أكسيد كيوبروس, بينما تتحرك الإلكترونات خلال المقياس فتؤدي العمل وتحرك الإبرة, عندما تقع الخلية الشمسية في الظل تتحرك الإلكترونات أقل خلال المقياس و تنخفض و تتراجع الإبرة .
ملاحظة: حول القدرة A note about power
تنتج الخلية 50 مايكرو أمبير في 0.25 فولت, وهذا 0.0000125 واط أي (12.5مايكرو واط).
لا تتوقّع إضاءة المصابيح أو شحن البطاريات بهذه الأداة, فهي يمكن أن تستعمل ككاشف أو مقياس ضوء خفيف.
أن تجهيز احتياجات دار عادي من الطاقة الكهربائية باستخدام هكذا خلية يحتاج إلى هكتارات منها لتجهيز الدار بالطاقة المطلوبة.
الـ 0.0000125 واط (12.5مايكرو واط) لـ 0.01 متر مربعة خلية أو 1.25 ميلي واط لكلّ متر مربع, لإضاءة مصباح قدرة 100 واط يحتاج إلى 80 متر مربع من أكسيد كيوبروس للجانب المضاء بنور الشمس، و80 متر مربع من النحاس للقطب الكهربائي المظلم, فلتشغيل سخان كهربائي بقدرة 1000 واط سنحتاج إلى 800 متر مربع من أكسيد كيوبروس ومثلها من النحاس أي 1,600 متر مربع سوية.
1,600 متر مربع تعني حوالي 17,222 قدم مربع , فإذا كانت كلفة صفيحة النحاس بـ 5$ لكل قدم مربع, فأن كلفة النحاس لوحده ستكون 86,110 $ , وإذا قلل سمك صفيحة النحاس إلى عشر السمك فأن الكلفة ستكون 8,611 $, وإذا افترضنا بأن الشراء سيكون بالجملة وربما سيكون الجملة هو نصف سعر المفرق, فعند ذالك ستكون الكلفة 4,300 $ .
أما إذا استخدمت ألواح السيليكون الشمسية والتي تكلّف 4$ لكل واط ، فأنه يمكن لتشغيل نفس السخان السابق (1000 واط) فأن الكلفة ستكون 4,000 $, لكن ستكون مساحة اللوحات فقط حوالي 10 أمتار مربعة.
ولكن بكلفة 1$ يمكن بناء طباخ شمسي من رقائق الألمنيوم اللماعة وورق المقوى, وبكلفة 20$ يمكن بناء طباخ شمسي من الألمنيوم لطيف ومناسب.


*** موضوع مكمل ذو علاقة بعنوان اللوحات الشمسية المستوية A flat panel solar cell