إسم المخترع :

تشارلز فريتس (Charles Fritts)

بلد المنشأ :

الولايات المتحدة الأمريكية

الخلية الشمسية تحول طاقة ضوء الشمس إلى كهرباء

وصف الاختراع :

الخلايا الشمسية هي الطريقة التي تمكن الإنسان من تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية سواء بشكل مباشر أو غير مباشر ليوفر بها احتياجاته من الطاقة في العديد من الأغراض وهي شكل من أشكال الطاقة المتجددة والنظيفة، لأنها لا تنتج أي نفايات ملوثة ولا ضوضاء ولا إشعاعات قد تضر بالإنسان أو البيئة إلا أن تكلفتها الباهظة وعدم وجود وسيلة لتخزينها من أهم العيوب التي حدت من انتشارها.

على الرغم من أن الخلايا الشمسية يدخل في تصنيعها العديد من المواد إلا أن مادة السيليكون تعد من أهم المواد وذلك لوفرته في الطبيعة وكونها مادة نظيفة بعكس المواد الأخرى .. فبعضها نادر والبعض الآخر شديد السمية وغيرها من المواد مازالت قيد البحث ولم يتم البت في كفاءتها وقدرتها على منافسة الخلايا السيليكونية بشكل نهائي .

وتعتمد فكرة عملها على وجود طبقتين على الأقل من مادة شبه موصلة .. سطح يحمل شحنة موجبة والآخر يحمل شحنة سالبة وهو السطح الذي يتولد من خلاله الالكترونات السالبة بعد أن يمتص ضوء الشمس (الضوء هو عبارة عن جسيمات تسمى فوتونات) والتي تهاجر بسرعة إلى السطح الموجب ليسري التيار الكهربائي.

واليوم تستخدم الخلية الضوئية أو الشمسية لتوليد الكهرباء اللازمة لضخ المياه، إضاءة ظلام الليل وإمداد الطاقة إلى شبكة المرافق العامة، وأكثر من ذلك بكثير .. ولكن كل ذلك لم ينشأ بين عشية ليلة وضحاها .. فالخلايا الشمسية كبقية الاختراعات هناك قصة وراء ظهورها.

بدأ الأمر عام 1839 حينما تعرف عالم الفيزياء التجريبية " ادموند بيكريل" ذو التسعة عشر عاما على الكهرباء الضوئية والتأثير الكهروضوئي وذلك في أثناء إجراء التجارب على خلية تحليل كهربائي تتكون من قطبين معدنيين وفي عام 1873 اكتشف العالم ويلوجبي سميث أن لعنصر السيلينيوم خواص للتوصيل الضوئي.. تلا ذلك اكتشاف العالمين "داي" و "آدمز" الخواص الضوئية للسيلينيوم في حالته الصلبة وكان ذلك عام 1876.

كل ذلك كان مجرد محاولات سبقت اختراع " تشارلز فريتز" لأول خلية ضوئية بالفعل في عام 1883 ، من رقائق السيلينيوم –مادة من أشباه الموصلات- ثم قام بتغليف السيلينيوم بطبقة رقيقة جدا من الذهب للفصل بين الرقائق وبعضها وكانت كفاءة الجهاز حوالي 1٪ فقط.

عام 1887 جاء اكتشاف أن الأشعة الفوق بنفسجية (ضوء الشمس) تحدث شرارة بين قطبين الجهاز وهذا الاكتشاف كان هو الأساس الذي بنى على أساسه الروسي الفيزيائي "الكسندر ستوليتوف" أول خلية كهروضوئية تعمل على أساس تأثير كهروضوئي خارجي عام 1888.

وفي عام 1904 اكتشف "هالواخ" أن الجمع بين النحاس وأكسيد النحاس الأحادي ذو حساسية كهروضوئية ، بعدها في العام الذي يليه 1905 نشر العالم " أينشتاين" ورقته البحثية "التأثير الكهروضوئي" و كانت السبب في حصوله على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921.

تلا ذلك عدة تطورات على الخلية الضوئية وفي عام 1955 طرحت شركة "ويسترن الكتريك" الرخص التجارية للتكنولوجيات الخلايا الضوئية المصنوعة من السيليكون PVللبيع .. شملت العديد من الأجهزة والبطاقات والرقاقات الالكترونية .. كما طرحت شركة "هوفمان" للإلكترونيات منتج تجاري مصنوع من أشباه موصلات بكفاءة عمل 2 % وفي عام 1957 طرحت جاهز لمعالجة الطاقة الشمسية بكفاءة 8 % .. ثم حققت "هوفمان" كفاءة 9% للخلايا الضوئية في عام 1958 9٪ وصدرت أول قمر صناعي يعمل بالخلايا الضوئية PV بالتعاون مع شركة سيجنال الأميركية واستمر في العمل لمدة 8 سنوات.

وبحلول عام 1960 حققت شركة هوفمان كفاءة 14 % للخلايا الضوئية .. وعقب ذلك انتشرت الخلايا الضوئية والطاقة الشمسية في مجال البحث والصناعة .. من أجل زيادة كفاءة تحويل الطاقة الضوئية أو الحرارية حسب نوع الخلية الشمسية إلى كهرباء ومن أجل العثور على مواد أقل تكلفة لصناعة خلية شمسية اصغر بكفاءة أعلى في نفس الوقت الذي تحقق خلو العملية من أية ملوثات تضر بالبيئة .. ذلك هو التحدي.

الفترة الزمنية :

القرن التاسع عشر والقرن العشرين