Фотоэлектрический эффект солнечные батареи

Виды элементов солнечных батарей, их особенности и нюансы использования

В энергосистемах разного уровня и направленности (как промышленных, так и частных) возрастает популярность солнечных батарей. Преимущества их использования понятны и неоспоримы, что прежде всего касается экономичности их работы.

Солнечные источники энергии не зависят от центральных систем сбережения энергии, способствуют значительному снижению затрат на коммунальные расходы. Кроме того, они просты в эксплуатации и абсолютно экологичны и безопасны. В настоящее время существует несколько видов солнечных элементов, каждый из которых отличается особенностями производства, способу модификации солнечной энергии в электрическую.

Особенности работы солнечных батарей. Фотоэффект

Принцип работы этих элементов основан на процессе трансформации энергии солнечных лучей в электрическую энергию. Внешне это выглядит следующим образом: солнечные лучи падают на пластину, в результате чего указатель индикатора показывает величину электрического тока, получаемого в результате. Это явление можно объяснить с точки зрения физики. Оно носит название «фотоэффект» и его сущность заключается в способности некоторых видов материалов вырабатывать электричество от солнца.

Принцип действия фотоэффекта основан на функционировании электронов. Электроны, находящиеся в составе некоторых веществ (среди них, например, кремний), осуществляют поглощение потока солнечных лучей. Результат: создание и получение электронами импульса, который способствует их выталкиванию из орбит. В итоге происходит создание эффекта постоянного фототока, который представляет собой поток движущихся в одном направлении электронов.

Подобное описание является самым простым объяснением сложного процесса работы солнечных элементов энергии. Дело в том, что появление фотоэффекта возможно только в том случае, если обеспечено объединение двух типов полупроводников. Полупроводники первого типа отличаются нехваткой электронов, а второго типа – их избыточным количеством. При их объединении получаются солнечные батареи, имеющие в конструкции два слоя, представляющего собой эти полупроводники.

Фотоэлементы осуществляют свое взаимодействие по следующей схеме. Расположенный на верхних позициях структуры n-проводник подвергается прямому воздействию солнечных лучей, результатом которого является выбрасывание электронов из орбит. Вследствие создания добавочного энергетического импульса происходит переход частиц в проводник р типа. Результат: формирование направленного потока движения частиц. Для сбрасывания полученного фототока на пластины из полупроводников устанавливают нагрузку и тонкие проводниковые элементы.

Чаще всего в роли полупроводников обоих типов в составе солнечных элементов используют кремний с различными добавками. Дело в том, что этот химических элемент обладает массой преимуществ, среди которых простота в добыче и обработке, дешевизна, минимизация затрат и подходящие физические характеристики. Среди недостатков этого элемента в качестве основы для создания полупроводников является небольшая продуктивность, которая редко достигает более 20 % преобразования энергии. Некоторые химические вещества обладают более высоким показателем КПД при преобразовании солнечной энергии в электричество, но их использование нерентабельно из-за сложностей добычи и промышленной обработки.

Кремний лежит в основе производства солнечных батарей нескольких типов: поликристаллических, монокристаллических и тонких пленочных. Каждый тип отличается особым набором свойств и определяет основную отрасль применения.

Поликремний в составе фотоэлементов

Поликристаллические ячейки кремния отличаются неоднородной структурой темного цвета и имеют квадратную форму. В поликремнии содержится небольшой процент примесей.

Продуктивность работы поликремниевых ячеек, которая составляет около 17 %, ниже, чем монокремниевых (более 20%). Однако по ряду причин, включающих легкость выращивания поликремниевых кристаллов, минимум затрат на данный процесс, поликремниевые батареи намного дешевле.

Неравномерная структура поверхности этих ячеек определяет неравномерное поглощение солнечных лучей. Это способствует, с одной стороны, к большим потерям энергии, а с другой – снижению степени зависимости от траектории движения Солнца.

Монокремниевые фотоэлементы

Монокристаллический кремний, а точнее фотоэлементы на его основе, легко узнаваемы. Они отличаются ярким синим цветом, ровной и однородной поверхностью. Производство таких ячеек осуществляется из монокристаллов кремния, не имеющего примесей. Благодаря этому, такие ячейки отличаются высокими показателями качества и наиболее продуктивны. Их форма: квадрат со срезанными углами.

Характеристики монокремниевых фотоэлементов

Они отличаются самым высоким КПД при трансформации энергии. Причина заключается в однородности их состава, благодаря которой свет поглощается максимально равномерно и преобразуется в фотопоток. Точные показатели энергетической эффективности этих элементов зависят напрямую от свойств кристалла, процентного содержания в нем примесей, а также качества технологий их выращивания.

Монокристаллические солнечные батареи отличаются следующими качествами:

• независимость равномерности выходных свойств от погоды. Даже высокий уровень облачности и холодное время года (при отрицательных температурах) не влияет на КПД таких батарей.
• гибкость, предотвращающая поломки вследствие физического воздействия.

Стоимость монокремниевых батарей превышает цену на поликристаллические.

Фотоэлементы на основе аморфного кремния

Их наиболее распространенное название «гибкие панели». Они отличаются гибкой структурой из тонких пленок. Их производство основано на использовании аморфного кремния или теллурида кремния. В настоящее время активно ведутся разработки по применению в качестве основного вещества органических компонентов.

Продуктивность гибких панелей зависит от типа полупроводника. Кремниевые панели дают 10% КПД, наиболее современные компоненты – 15-20 %.

Характеристики гибких тонкопленочных панелей:

• универсальность монтажа (возможен на любых формах);
• высокий уровень генерирования энергии при рассеянном падении лучей;
• маленькая толщина, достигающая около 1 мкм;
• низкая себестоимость и совокупная цена;
• высокие показатели эффективности при использовании в мощных системах (свыше 10 кВт).

Солнечные батареи тонкопленочного типа находят широкое применение в регионах с преобладанием облачной погоды, а также в жарких регионах.

К минусам этих элементов можно отнести их габариты, превышающие при аналогичном уровне мощности размеры кристаллических в два раза.

Транзисторные фотоэлементы

Фотоэлементы в составе солнечных батарей могут быть изготовлены из вышедших из эксплуатации транзисторов. Их можно сделать даже самостоятельно, в домашних условиях. Для этого потребуются транзисторы из полупроводников, с которых нужно снять крышки (для открытия переходов полупроводников). КПД таких фотоэлементов минимален, но есть возможность их объединения друг с другом в блоки, что будет способствовать в конечном итоге увеличению выходных параметров. Такие батареи подойдут для зарядки светильников, часов и маленьких аккумуляторов.

Источник

Принцип работы солнечной батареи в фотовольтаическом эффекте

В сегодняшнем мире, где количество населения и мировые потребности в энергии неуклонно растут. Все обычные источники энергии, такие как газ, уголь, нефть и т. д. ограничены. В этой ситуации необходимость создания возобновляемого источника энергии в качестве системы альтернативной генерации на основе фотогальванического или фотовольтаического эффекта стала важным для обеспечения устойчивой энергетической безопасности.

Среди различных возобновляемых источников энергии фотовольтаический эффект является основным заложенным в принцип работы солнечных батарей.

Солнечная энергия, поглощенная атмосферой Земли, океанами и сушей, составляет около 385 000 Эдж. Но только менее 1% используется энергии от Солнца. Эта статистика показывает, что свет имеет в 35 000 раз больше энергии на Земле, чем ежедневное её производство. Таким образом, всего за один час Земля получает от Солнца больше, чем мир использует от других источников за целый год.

Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью фотовольтаического эффекта в системах солнечных батарей является способом производства альтернативной энергии.

Преобразование солнечного излучения в электричество

Фотовольтаический (фотогальванический) эффект преобразовывает солнечное излучение сразу в электричество используя излучение Солнца на фотоэлементы. Это незагрязняющий, бесшумный, надежный и долгосрочный способ.

Солнечные элементы как один из способов получения электроэнергии изготавливаются из различных полупроводниковых материалов, что влияет на стоимость и эффективность.

Солнечные элементы могут быть изготовлены из кристаллического кремния, которые включают монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, аморфный кремний, теллурид кадмия и селенид/сульфид меди индия.

Второй тип – это тонкопленочные солнечные элементы, которые включают теллурид кадмия, медь-индий-галлий-селенид, многопереходные арсенид-галлия, светопоглощающие краски, квантовые, органические/полимерные солнечные батареи, из кремниевых тонких пленок.

Принцип работы

Солнечный элемент – это электронное устройство, использующее фотовольтаический эффект путем прямого преобразования энергии света в электричество. Это фотогальваническое явление фотоэлемента полупроводника связано с поглощением фотона. Преобразование энергии света основано на методе p-n-перехода.

Полупроводниковые солнечные элементы кристаллического типа получают путем легирования атомами акцепторов для создания области p-типа и атомов доноров для создания области n-типа на полупроводниковой кристаллической решетке. Благодаря правилу диффузии, дырки в типе материала и электроны диффундирует из материала к p-n переходом.

Атомы, высвобождающие электроны, становятся положительно ионизированными, а атомы, высвобождающие дырки, отрицательно ионизированными. Если бы электроны и дырки не были заряжены из-за встроенного электрического поля, электроны и дырки непрерывно диффундировали бы в противоположном направлении на стыке. Но в реальной практике через определенный период свободные электроны и дырки, поступающие из удаленных областей n-типа и p-типа соответственно, противостоят нейтрализованными электронно-дырочными парами на p-n-переходе.

Таким образом, на p-n-переходе, известном как обедненная область, образуется переходный барьер. На нем образуется незначительный ток и небольшое количество напряжения (обычно 0,1-0,3 вольт). Несмотря на это, некоторые электроны и дырки проходят переход из-за диффузионной силы. Таким образом, они образуют диффузионный ток. С другой стороны, из-за приложенного электрического поля электрон и дырки проносятся через переход и образуют дрейфовый ток. В фотоэлементе открытой цепи, диффузия и течение смещения сбалансированы поровну.

Таким образом, солнечный элемент становится электрически нейтральным.

Работа солнечных батарей

Когда свет достигает p-n перехода солнечного элемента, определенное количество падающего света отражается во внешней атмосфере, а остальная часть передается на элемент. Среди этих участков из-за оптических несовершенств, фотонов и других квазичастиц часть света рассеивается и отражается на тыльную поверхность элемента. Для решения этой задачи отражения на передней поверхности солнечного элемента нанесено просветляющее покрытие, препятствующее спектру отражения передней поверхности. На задней поверхности, покрытие полностью отражает назад входящий свет внутри фотоэлемента для увеличения количества фотонов без любой абсорбции.

Фотон попадает в валентные электроны атомов материала. Эти валентные электроны получают энергию от фотона. Если этой энергии достаточно для преодоления запрещенной зоны (1,12 эВ для кремния), электроны освобождаются от атома. В результате этого процесса генерируется ток. Но из-за рекомбинации генерируемый светом ток и напряжение нейтрализуются.

Таким образом, солнечный элемент не может способствовать текущему потоку. Для решения этой задачи эмиттер (область n-типа) и база (область p-типа) соединяются проводами для протекания электронов по внешней цепи путем подключения нагрузки. Электроны рассеивают энергию на внешней нагрузке через цепь и возвращают к фотоэлементу.

Таким образом, с помощью фотовольтаического эффекта солнечный элемент производит ток и поставляет электричество к внешним нагрузкам.

Одиночный принцип работы солнечного элемента может произвести очень небольшое количество тока. Вот почему группа солнечных элементов объединена внутри панели. Группа панелей путем соединения проводами участвует в электроснабжении.

На основании этой теории деятельности фотоэлемента, описана существующая и рентабельная технология кристаллического типа изготовления фотоэлемента и фотоэлектрических систем.

Существующая технология

Солнечные элементы, которые стали быстро растущей и чрезвычайно важной альтернативой возобновляемой энергии, впервые были продемонстрированы на практике в 1950 году.

С тех пор, используя различные технологии и различные материалы, эффективность их значительно возросла (до 14-18%). Сегодня для создания солнечной батареи используются различные технологии, которые основаны на принципе фотовольтаического эффекта и представляют собой процесс создания нового слоя, называемого “эмиттером” в материале подложки.

Технологии, которые используются для этого метода легирования: диффузия фосфора из окси-хлорида-фосфора, ортофосфорной кислоты, спин на легирующем процессе, ионная имплантация, метод распыления, эпитаксия и др. Принятие различных методов диффузии влияет на эффективность и учет затрат. Помимо этих методов существуют также различные методы химического осаждения паров элементов, которые широко используются при изготовлении солнечных элементов.

Таким образом, растущая потребность мира в энергии обусловила необходимость применять фотогальванический или фотовольтаический эффект. Люди стали больше полагаться на возобновляемые источники энергии, а не на обычные.

Солнечная энергия, часто называемая источником почти всей энергии доступной на Земле, является одним из основных возобновляемых источников и может дать решение нынешнего энергетического кризиса.

Источник