Физические явления солнечной батареи

Принцип работы: Солнечные батареи.

Мы часто пишем про различные виды альтернативной энергетики, в том числе про солнечную. Этой статьей начинается цикл статей про принципы работы различных устройств работающих на возобновляемой энергии. И первое что будет рассмотрено — солнечные батареи. Солнечная энергия в последнее время используется повсюду: в естественном освещении помещений, нагрева воды, сушки и иногда даже в приготовлении пищи. Однако самым важным использованием энергии солнца является, пожалуй, генерация электричества. И главный элемент такой генерации — солнечная батарея!

Строение солнечных батарей

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.

Принцип работы

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.

Строение фотоэлемента

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость).

Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» — атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.

На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Физический механизм действия

Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

Из чего делают фотоэлементы?

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты — около 1% КПД.

Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станцией, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) — второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема — его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

Солнечные батареи (Сборки)

Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент.

Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт, W). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м 2 , температуре окружающей среды 25 o C, солнечном спектре шириной 45 o (АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов).

Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно — ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом.

Источник

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2014

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

В настоящее время в общественном сознании крепнет убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии, причем в самых разных ее проявлениях. Солнце — это огромный, неиссякаемый, абсолютно безопасный источник энергии, в равной степени всем принадлежащий и всем доступный. Ставка на солнечную энергетику должна рассматриваться не только как беспроигрышный, но в долговременной перспективе и как безальтернативный выбор для человечества. Мы рассмотрим в ретроспективном и перспективном плане возможности преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов. Эти устройства представляются сегодня вполне созревшими в научном и технологическом отношении для того, чтобы рассматриваться в качестве технической базы для крупномасштабной солнечной электроэнергетики будущего.

Цель исследования является физика наиболее важного возобновляемого источника энергии. Мы рассмотрим непосредственное использование солнечной энергии с помощью солнечных батарей. Исследуем физический принцип работы и определим параметры эффективности солнечных батарей.

1. Фотоэлектрический эффект в полупроводниках

Фотоэлектрический эффект в полупроводнике можно определить как выработку ЭДС за счет поглощения полупроводником фотонов света. Это подразумевает разделение отрицательных и положительных зарядов практически таким же образом, как это происходит в традиционных батареях. Разделенные заряды будут стремиться рекомбинировать, поэтому нужно гарантировать, что это будет осуществимо только путем прохождения электрона через внешнюю цепь. В этом случае электрон будет совершать некоторую полезную работу. Принципиальное отличие солнечного элемента от химической батареи заключается в том, что он не способен запасать энергию. Солнечная батарея перестает давать ток сразу же, как только пропадает освещение.

Существует два существенных требования к получению фотоиндуцированной ЭДС:

1. Наличие материала способного поглощать фотоны с образованием пар отрицательных и положительных зарядов (т.е. полупроводник),

2. Средство разделения зарядов в парах до того, как те успеют рекомбинировать.

Последнее требование удовлетворяется с помощью диодов, которые будут рассмотрены нами далее. Однако прежде давайте посмотрим, чем отличаются полупроводники от других материалов, и разберемся, что же делает их столь удачно подходящими для применения в солнечных батареях.

В кристаллических полупроводниках электроны могут занимать только состояния, которые образуют полосы разрешенных энергий, отделенных друг от друга полосой запрещенных энергий (нет состояний электрона в полупроводнике, соответствующих этим значениям энергии). Полоса с более низкими энергиями называется валентной зоной, а полоса с более высокими энергиями — зоной проводимости. Полупроводник отличается от металла тем, что при абсолютном нуле температур (Т=0 К) валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости не содержит их вовсе (хотя электроны и могли бы занимать пустые состояния в ней, просто их ровно столько, что все они заполняют только валентную зону). В этом случае подвижные носители заряда отсутствуют (в том смысле, что перемещение электрона внутри валентной зоны не меняет состояния всего полупроводника в целом), поэтому такой полупроводник не обладает электрической проводимостью. Полоса запрещенных энергий, отделяющая валентную зону от зоны проводимости, называется запрещенной зоной или энергетической щелью , ее ширина обычно составляет 1-2 эВ (реже больше) [1]. Чистые полупроводники (не содержащие специальных примесей) при низкой температуре обладают очень высоким сопротивлением (фактически являются изоляторами). При сообщении полупроводнику достаточной для перехода через запрещенную зону энергии происходит возбуждение электронов в зону проводимости. Поскольку зона проводимости не заполнена, электроны в ней обладают подвижностью. Оставшиеся после ухода электронов вакансии в валентной зоне также могут двигаться, они ведут себя подобно положительному заряду (хотя истинное движение внутри валентной зоны совершают, разумеется, тоже электроны: заполняя одну вакансию, электрон оставляет новую там, откуда он переместился). Электронные вакансии принято называть дырками. Каждый электрон, перешедший из валентной зоны в зону проводимости, образует один отрицательный заряд на новом месте и один положительный заряд на старом, поэтому в полупроводнике всегда присутствует равное количество зарядов того и другого знака, гарантируя его электронейтральность. Чистый полупроводник принято называть собственным. Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, будучи подвижными, обеспечивают электрическую проводимость полупроводника.

При любой конечной температуре (Т>0 К) найдется некоторое количество электронов (хотя и не очень большое), которые обладают тепловой энергией, достаточной для преодоления энергетической щели. Распределение электронов между двумя зонами при любой заданной температуре Т соответствует функции распределения Ферми-Дирака:

Где — это энергия Ферми. Значение представляет собой вероятность того, что уровень, соответствующий энергии , при температуре занят электроном. Из (рис.1) видно, что с большой вероятностью уровни — свободны. В собственных полупроводниках энергия Ферми равна среднему между энергией самого верхнего уровня валентной зоны и энергией самого низкого уровня зоны проводимости (рис.1) или, как говорят, находится посередине энергетической щели.

Рис. 1 Энергетическая диаграмма собственного полупроводника

Поскольку природа энергии роли не играет, лишь бы она была не меньше ширины энергетической щели Еg, то вызывать переход электронов через запрещенную зону могут и кванты света, т.е. фотоны. Тем самым полупроводники удовлетворяют первому условию фотоэлемента.

Оказалось, что управлять количеством электронов и дырок можно путем добавления в полупроводник специальных примесей. Этот процесс известен под названием легирование (или допирование). Легирование элементов, чья валентность больше валентности самого полупроводника (например, кремний Si (IV группа) легируют фосфором P (V группа)), приводит к появлению «лишнего» электрона, расположенного вблизи примеси (рис. 2а). Этот электрон слабо связан с примесным атомов, поэтому для его отрыва требуется не слишком много энергии (тепловой почти всегда достаточно). В результате, электрон легко попадает в зону проводимости полупроводника, обеспечивая там дополнительный подвижный носитель заряда. Легирующий атом такого типа называется донором, поскольку он отдает свой электрон, а получающийся при легировании материал называют полупроводником n-типа. Энергия Ферми в таком полупроводнике находится выше середины энергетической щели, ближе к зоне проводимости (рис. 2б).

Рис. 2 Донорное легирование: (а) схематическое двумерное представление; (б) энергетическая диаграмма полупроводника n-типа.

При легировании полупроводника элементов меньшей валентности (например, Al (III группа) в Si) возникает несколько иная ситуация. Примесный атом не может насытить валентность окружающий его атомов полупроводника, поэтому открывает электронную вакансию, располагающуюся на энергетической диаграмме чуть выше валентной зоны (рис.3а). Тепловой энергии обычно достаточно для того, чтобы электрон из валентной зоны занял эту вакансию, образовав дырку. Примеси такого типа называются акцепторами, поскольку они принимают на себя электроны полупроводника. Получающийся при этом материал называется полупроводником р-типа. Энергия Ферми в таком полупроводнике находится ниже середины энергетической щели, ближе к валентной зоне (рис 3б). Полупроводники n- и p-типа называют несобственными (или примесными) [2].

Рис. 3 Донорное легирование: (а) схематическое двумерное представление — ненасыщенная связь (дырка) забирает электрон соседнего атома; (б) энергетическая диаграмма полупроводника p-типа.

Второе условие выработки фотоиндуцированной ЭДС может быть выполнено с помощью потенциального барьера в полупроводнике, который бы препятствовал непосредственной рекомбинации зарядов. Существует два предпочтительных способа создать такой барьер. Первый — использовать границу металл-полупроводник (диод Шоттки), а второй — создать p-n-переход. Диод Шоттки, используемый в качестве металл-полупроводникового (М-П) солнечного элемента, показан на рис. 4.

Рис. 4 Принцип действия солнечного элемента в виде диода Шоттки (М-П)

Разность между работой выхода металла () и сродством к электрону полупроводника () образует на границе раздела металл-полупроводник потенциальный барьер (). Из-за этого потенциального барьера в полупроводнике образуется область пространственного заряда (на рис.4 она различима по деформации зон), внутри которой электрическое поле крайне сильно. Любая пара электрон-дырка, образовавшаяся в полупроводнике в результате поглощения фотона, оказывается разделённой: Электрон и дырка стремятся оказаться по разные стороны от барьера, тем самым мы получаем ЭДС. Именно в таком виде этот эффект впервые наблюдали в 1876 году Адамс и Дэй на границе раздела металл-Se. Однако почти полвека спустя он был впервые использован при создании получившего широкое распространение устройства для измерения освещённость при фотографировании — люксметра.

Для современных солнечных батарей вместо структур типа М-П используют p-n-переходы. Когда полупроводник n-типа приведён в контакт с полупроводником p-типа, благодаря градиенту концентрации носителей заряда, дырки из второго (где их концентрация выше) начинают диффундировать в первый (где концентрация дырок ниже). Одновременно возникает диффузия электронов в обратную сторону (по той же причине разных концентраций). Однако диффузия носителей приводит к нарушению баланса электрических зарядов в каждом из полупроводников, поэтому в ответ возникают дрейфовые токи дырок и электронов, направленные против направления диффузии соответствующих частиц. При достижении равновесия дрейфовые и диффузионные токи уравновешивают друг друга, а энергия Ферми оказывается всюду одинаковой. Возникающее вследствие этого электрическое поле на границе раздела двух полупроводников создаёт потенциальный барьер, аналогичный тому, что наблюдается в диоде Шоттки. Так же как и там, любая пара электрон-дырка, образовавшаяся в результате поглощения фотона, оказывается разделённой барьером, а мы получаем ЭДС (рис.5).

Рис. 5 Зонная диаграмма p-n-перехода: (а) в равновесии и (б) под освещением.

Заметим, что и устройства на основе М-П, и p-n-переходы подчиняются уравнению диода, которое связывает плотность тока (J), протекающего через диод, с приложенным к нему напряжением (V):

При положительном напряжении (V>0) плотность тока экспоненциально возрастает с ростом V. В случае обратного напряжения (V Код для цитирования: Скопировать

Источник