Физический принцип работы солнечных батарей

Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

Солнечная батарея — это источник постоянного электрического тока от преобразованной энергии солнца при помощи фотоэлементов.

Фотоэлементы — это преобразователи энергии фотонов в ток.

Фотоны — это элементарная частица, не имеющая массы покоя.

Солнечная батарея для обеспечения бытовых потребностей в электроэнергии

История создания солнечной батареи

В 1839 году Антуаном – Сезаром была представлена батарея, которая преобразовывала энергию Солнца в ток.

В 1877 году Адамс и Дей открыли выработку электричества селеном при действии на него солнечных лучей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн описал фотоэффект.

В 1954 году был создан элемент солнечной батареи, выполненной из кремния Гордоном Пирсоном, Кэпом Фуллером и Дэррилом Чапиным.

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью.

Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании.

Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;

2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;

3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;

4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;

5. Из органических соединений;

6. Из арсенида галлия;

7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте.

Солнечный свет (лучи), попадая на фотоэлектрический слой, полупроводниковых пластин приводит к высвобождению излишних электронов из обоих слоёв (n и p). На место оставшееся после освобождения электронов в одном слое встают освобожденные электроны другого слоя. Таким образом, происходит постоянное передвижение электронов из одного слоя в другой через p-n переход.

В результате этого на внешней цепи начинает появляться напряжение. Слой p становится положительно заряженным, а слой n – отрицательно.

Аккумулятор в ходе этих действий начинает набирать заряд.

Контролёр заряда подключает солнечную батарею, если заряд аккумулятора низкий. И выключает её, в случае, когда аккумулятор заряжен. Также контролер не даёт течь обратному току в то время, когда отсутствует солнце.

Трансформатор прямого тока в переменный необходим для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В. Он бывает двух видов:

• Сетевой тип инверторов. Обеспечивает работу только в дневное время суток и тех приборов, которые присоединены к нему самому;
• Автономный тип. Применяется в устройстве элементов солнечной батареи, с наличием аккумуляторной батареи. Они предназначены для работы систем бесперебойного питания.

Это Интересно! Солнечной энергии, выделяемой за 1 секунду, достаточно для удовлетворения потребностей всего человечества на полмиллиона лет!

Преимущества и недостатки использования солнечной батареи

К преимуществам использования солнечной батареи относят:

1. Экономическую выгоду. Электроэнергия, поставляемая от энергии солнца, бесплатная;
2. Экологическая безопасность. Работа солнечной батареи не связана с выбросом вредных веществ в атмосферу;
3. Установка системы солнечной батареи является быстро окупаемой;
4. Простота эксплуатации и установки.

К недостаткам относят:

• Дороговизна установки;
• Маленькие фотоэлементы не обеспечивают всех потребностей в электроэнергии одной семьи;
• Эффективность их работы зависит от многих факторов, таких как:
  1. Погодных условий;
  2. Температуры на улице и степени нагрева солнечной батареи;
  3. Грамотного выбора всех комплектующих для обеспечения требуемых параметров;
  4. Мощности потока света;
  5. Ориентации солнечной батареи к положению Солнца;
  6. Чистоты панелей.

Применение солнечной батареи

Постепенно происходит внедрение солнечной батареи во многие отрасли жизнедеятельности человека.

Например, солнечные батареи используются:

• В автомобилестроении;
• В промышленных объектах;
• В сельском хозяйстве;
• На военно-космических объектах;
• В бытовых нуждах;

Это Интересно! Одним из первых вариантов появления прибора с солнечной батареей был калькулятор, способный работать только при попадании на его фотоэлемент солнечных лучей.

Сейчас солнечными батареями оснащают некоторые модели походных рюкзаков. Они служат источником света, электричества в условиях отсутствия цивилизации.

Использование солнечной батареи как источника электроэнергии интересует все большее количество людей, причем не только в бытовых нуждах, но и для обеспечения электроэнергией предприятий. Для того чтобы эта система была эффективной необходимо знать ее устройство и принцип работы. Это поможет подобрать компоненты в зависимости от желаемой мощности установки.

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