أوجه التشابه بين الخلايا الشمسية والتمثيل الضوئي

تجمع الخلايا والنباتات الشمسية الطاقة من ضوء الشمس. تجمع الخلايا الشمسية الكهروضوئية ضوء الشمس وتحوله إلى كهرباء. تجمع أوراق النبات أشعة الشمس وتحولها إلى طاقة كيميائية مخزنة. تقوم كل من الخلايا الشمسية والنباتات بنفس الوظيفة ، لكنها تقوم بذلك بطرق مختلفة. ومع ذلك ، هناك أوجه تشابه بين النهجين. تم تصميم نوع واحد من الخلايا الشمسية ليكون مشابهًا لعملية التمثيل الضوئي قدر الإمكان.

تأتي الطاقة في ضوء الشمس على شكل طرود صغيرة تسمى الفوتونات. يحمل كل من الفوتونات قدرًا ضئيلًا من الطاقة. طاقة الفوتون الأزرق أعلى من طاقة الفوتون الأحمر. هذا مهم لأن كلاً من الخلايا الشمسية والنباتات لا يمكنها امتصاص ضوء الشمس إلا إذا كانت الطاقة مناسبة تمامًا. عندما تمتص مادة ما ضوء الشمس ، فإن الفوتونات الموجودة في الضوء تنقل طاقتها إلى الإلكترونات في المادة. لا تستطيع الإلكترونات امتصاص الطاقة إلا في نطاق ضيق ، لذا فإن إلكترونًا معينًا سيكون قادرًا فقط على قبول الطاقة من فوتونات ذات ألوان معينة في طيف الضوء.

يتم إنشاء كل من الخلايا الكهروضوئية والنباتات الضوئية لامتصاص الفوتونات. في عملية التمثيل الضوئي ، أنتج التطور الكلوروفيل ، وهو جزيء يمتص ألمع ضوء الشمس. بالنسبة للخلايا الكهروضوئية ، صمم المهندسون بلورات حيث يمكن للإلكترونات أن تستخدم فقط كمية الطاقة الموجودة في فوتونات ضوء الشمس. في كلتا الحالتين ، تمتص الإلكترونات الفوتونات ، والتي تستهلك الطاقة الإضافية. يسمى الإلكترون ذو الطاقة الزائدة بالإلكترون المثار ، أو الإلكترون في حالة الإثارة.

يجب أن تتعامل كل من الخلايا النباتية والشمسية مع الإلكترونات المثارة بسرعة ، قبل أن تتخلى عن طاقتها وتعود إلى حيث كانت قبل أن تمتص فوتوناتها. في عملية التمثيل الضوئي ، يتم حل المشكلة عن طريق نقل الإلكترون من جزيء إلى آخر حتى يستقر في جزيء يمكنه تخزين الطاقة لفترة طويلة. في الخلايا الكهروضوئية ، يتم نقل الإلكترونات المثارة إلى دائرة ، حيث إما تقوم بتشغيل شيء ما على الفور أو يتم توجيهها إلى بطارية للتخزين.

هناك نوع غير قياسي من الخلايا الكهروضوئية يحاول نسخ الطريقة التي يعمل بها التمثيل الضوئي. بدلاً من تحريك الإلكترون بأسرع ما يمكن عبر بلورة من ذرات متطابقة ، فإن الخلية الشمسية ذات الحساسية الصبغية يمتص الطاقة في جزيء الصبغة ، ثم ينقل الإلكترون المثار إلى مادة أخرى مجاورة للصبغة مركب. هذا يمنع الإلكترون من أن يفقد طاقته دون جدوى. عند الاتصال بدائرة ، يشق الإلكترون طريقه عبر المادة الثانية دون خطر كبير بفقدان طاقته.