Фотовольтаический эффект и его разновидности

Впервые так называемый фотовольтаический (или фотогальванический) эффект наблюдал в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель.

Экспериментируя в отцовской лаборатории, он обнаружил, что при освещении платиновых пластин, погруженных в раствор электролита, подключенный к пластинам гальванометр показывал наличие электродвижущей силы. Вскоре девятнадцатилетний Эдмон нашел и полезное применение своему открытию, — он создал актинограф — прибор для регистрации интенсивности падающего света.

Сегодня к фотовольтаическим эффектам относят целую группу явлений, так или иначе связанных с возникновения электрического тока в замкнутой цепи, в которую включен освещаемый полупроводниковый или диэлектрический образец, либо явления возникновения ЭДС на освещаемом образце, в случае если внешняя цепь разомкнута. При этом различают два типа фотовольтаических эффектов.

К фотовольтаическим эффектам первого типа относятся: высоковольтная фото-ЭДС, объемная фото-ЭДС, вентильная фото-ЭДС, а также фотопьезоэлектрический эффект и эффект Дембера.

К фотовольтаическим эффектам второго типа относятся: эффект увлечения электронов фотонами, а также поверхностный, циркулярный и линейный фотовольтаические эффекты.

Эффекты первого и второго типа

Фотовольтаические эффекты первого типа обусловлены процессом, при котором световое воздействие генерирует подвижные носители электрического заряда двух знаков — электроны и дырки, приводит к их разделению в пространстве образца.

Возможность разделения связана в этом случае либо с неоднородностью образца (неоднородностью образца можно считать его поверхность), либо с неоднородностью освещения, когда свет поглощается у поверхности, либо когда освещается лишь часть поверхности образца, так что ЭДС возникает вследствие повышения скоростей теплового движения электронов под действием падающего на них света.

Фотовольтаические эффекты второго типа связаны с асимметрией элементарных процессов возбуждения носителей заряда светом, асимметрией их рассеяния и рекомбинации.

Эффекты данного типа проявляются без дополнительного образования пар разноименных носителей заряда, они обусловлены межзонными переходами, либо могут быть связаны с возбуждением носителей заряда с примесей, кроме того могут вызываться поглощением световой энергии свободными носителями заряда.

Далее давайте разберем механизмы возникновения фотовольтаических эффектов. Сначала рассмотрим фотовольтаические эффекты первого типа, затем обратим внимание на эффекты второго типа.

Эффект Дембера может возникать при однородном освещении образца, просто из-за различия скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных его гранях. При неоднородном освещении образца эффект Дембера вызывается различием коэффициентов диффузии (разницы подвижностей) электронов и дырок.

Эффект Дембера, инициируемый импульсным освещением, применяют для генерации излучения в терагерцовом диапазоне. Наиболее выражено эффект Дембера проявляется в полупроводниках с высокой подвижностью электронов и с узкой запрещенной, таких как InSb и InAs. [ banner_adsense]

Вентильная или барьерная фото-ЭДС является результатом разделения электронов и дырок электрическим полем на барьере Шоттки при контакте металл-полупроводник, а также полем p-n-перехода или гетероперехода.

Ток здесь образуется движением как непосредственно генерируемых в области p-n-перехода носителями заряда, так и теми носителями, что возбуждаются в приэлектродных областях и достигают путем диффузии области сильного поля.

Разделение пар способствует образованию потока дырок в область p и потока электронов в область n. Если цепь разомкнута, то ЭДС действует в прямом для p-n-перехода направлении, так что ее действие компенсирует первоначальное явление.

Данный эффект лежит в основе функционирования солнечных элементов и высокочувствительных малоинерционных приемников излучения.

Объемная фото-ЭДС, как следует из ее названия, возникает как результат разделения пар носителей заряда в объеме образца на неоднородностях, связанных с изменением концентрации легирующей примеси либо с изменением химического состава (в случае если полупроводник сложный).

Здесь причиной разделения пар служит так называемое встречное электрическое поле, создаваемое изменением положения уровня Ферми, который, в свою очередь, зависит от концентрации примеси. Либо, если речь о полупроводнике со сложным химическим составом — разделение пар оказывается результатом изменения ширины запрещенной зоны.

Явление возникновения объемной фото-ЭДС применимо для зондирования полупроводников с целью определения степени их однородности. С неоднородностями связано также сопротивление образца.

Аномальная (высоковольтная) фото-ЭДС получается когда неоднородное освещение вызывает электрическое поле, направленное по поверхности образца, вдоль нее. Величина возникающей ЭДС будет пропорциональна длине освещаемой области и может достигать 1000 и больше вольт.

Механизм может быть обусловлен либо эффектом Дембера, если диффузный ток имеет компоненту направленную вдоль поверхности, либо образованием выходящей на поверхность p-n-p-n-p-структуры. Результирующая высоковольтная ЭДС — есть суммарная ЭДС каждой из пар несимметричных n-p и p-n-переходов.

Фотопьезоэлектрическим эффектом называется явление возникновение фототока или фото-ЭДС при деформации образца. Одним из его механизмов является возникновение объемной ЭДС при неоднородной деформации, приводящей к изменению параметров полупроводника.

Другим механизмом появления фотопьезоэлектрической ЭДС является поперечная ЭДС Дембера, возникающая при одноосной деформации, вызывающей анизотропию коэффициента диффузии носителей заряда.

Последний механизм наиболее эффективен при деформациях многодолинных полупроводников, приводящих к перераспределению носителей между долинами.

Мы рассмотрели все фотовольтаические эффекты первого типа, далее рассмотрим эффекты относимые ко второму типу.

Эффект увлечения электронов фотонами

Этот эффект связан с асимметрией в распределении фотоэлектронов по импульсу, получаемому от фотонов. В двумерных структурах при оптических переходах между минизонами фототок увлечения вызван преимущественно переходами электронов с определенным направлением импульса и может существенно превышать соответствующий ток в объемных кристаллах.

Линейный фотовольтаический эффект

Данный эффект обусловлен асимметричным распределением фотоэлектронов в образце. Асимметрия формируется здесь двумя механизмами, первый из которых — баллистический, связанный с направленностью импульса при квантовых переходах, второй — сдвиговый, обусловленный смещением центра тяжести волнового пакета электронов при квантовых переходах.

Линейный фотовольтаический эффект не связан с передачей импульса от фотона электронам, поэтому при фиксированной линейной поляризации не меняется при изменении направления распространения света на противоположное. Вклад в ток вносят как процессы поглощения света, так и процессы рассеяния и рекомбинации (при тепловом равновесии данные вклады скомпенсированы).

Данный эффект применительно к диэлектрикам позволяет реализовать механизм оптической памяти, поскольку приводит к изменению показателя преломления, зависящему от интенсивности света, и сохраняющемуся даже после его выключения.

Циркулярный фотовольтаический эффект

Эффект возникает при освещении эллиптически или циркулярно поляризованным светом гиротропных кристаллов. ЭДС меняет знак на противоположный при изменении поляризации. Причина эффекта кроется во взаимосвязи спина и импульса электронов, свойственной гиротропным кристаллам. Когда электроны возбуждаются циркулярно поляризованным светом, их спины оптически ориентируются, соответственно возникает направленный импульс тока.

Существование обратного эффекта выражается в возникновении оптической активности под действием тока: пропускаемый ток вызывает в гиротропных кристаллах ориентацию спинов.

Три последних эффекта служат в безынерционных приемниках лазерного излучения.

Поверхностный фотовольтаический эффект

Поверхностный фотовольтаический эффект возникает при отражении или поглощении света свободными носителями заряда в металлах и полупроводниках, вследствие передачи импульса от фотонов — электронам при наклонном падении света, а также при нормальном падении, если нормаль к поверхности кристалла отличается по направлению от одной из главных осей кристалла.

Эффект заключается в явлении рассеяния возбужденных светом носителей заряда на поверхности образца. При межзонном поглощении проявляется при условии что значительная часть возбужденных носителей достигает поверхности без рассеяния.

Так, при отражении электронов от поверхности формируется баллистический ток, направленный перпендикулярно поверхности. Если при возбуждении электроны выстраиваются по импульсу, может появиться ток, направленный вдоль поверхности.

Условием возникновения данного эффекта является различие знаком неравных нулю компонент средних значений импульса «к поверхности» и «от поверхности» для электронов движущихся вдоль поверхности. Условие соблюдается, например, в кубических кристаллах, при возбуждении носителей заряда из вырожденной валентной зоны — в зону проводимости.

При диффузном рассеянии на поверхности, электроны достигшие ее — теряют составляющую импульса вдоль поверхности, тогда как электроны двигающиеся от поверхности — сохраняют. Это и приводит к возникновению тока вдоль поверхности.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Фотоэлектрические (фотогальванические) технологии солнечной энергетики — PV

Фотоэлектрические (фотогальванические, photovoltaic, сокращенно — PV) солнечные технологии основаны на использовании специальных панелей с ячейками, состоящих из двух слоев различных полупроводниковых материалов (пример, кремния), с помощью которых солнечный свет преобразуется в электричество, которое затем передается в электросеть, а на автономных станциях за счёт установки аккумуляторов есть возможность накапливать электроэнергию для использования, например, в тёмное время суток. Солнечные электростанции состоят из солнечных модулей, подключённых в единую цепь, инверторов и другого оборудования.

Мировой рынок фотовольтаической солнечной энергетики

По данным доклада МЭА по оценке успехов в области внедрения технологий возобновляемой энергетики в мире Tracking Clean Energy Progress 2017, доля фотоэлектрической солнечной энергетики от всей производимой в мире энергии из возобновляемых источников составила 5%.

Инвестиции в фотоэлектрическую солнечную генерацию в 2018 году показали спад на 24% до 130,8 млрд долл. Частично, такое резкое снижение было связано со значительным сокращением капитальных издержек в этом сегменте. По данным BNEF, стоимость 1 МВт солнечной PV электростанции снизилась на 12%, поскольку производители сокращают цены в свете грядущего насыщения рынка.

Несмотря на снижение инвестиций, ввод фотогальванических мощностей вырос до 109 ГВт в 2018 году с 99 ГВт в 2017 году благодаря высокой конкурентноспособности технологии. Среди самых крупных с точки зрения финансирования были комбинированный проект фотоэлектрической и концентрационной солнечной энергетики NOORm Midelt в Марокко стоимостью 2,4 млрд долл США и фотоэлектрический NLC Tamil Nadu в Индии стоимостью около 500 млн долл.

В 2016 году цены на фотоэлектрическую солнечную энергию по долгосрочным контрактам на будущие проекты в Чили и Арабских Эмиратах уже опустились до уровня ниже 30 долл США за мегаватт-час (МВт/ч), что является самым низким показателем в мире. В Мексике цены на контракты по строительству фотоэлектрических солнечных и наземных ветряных электростанций составили 28-55 долл США за МВт/ч. Усредненная стоимость электричества, выработанного мировыми PV электростанциями, снизилась в 2009-2018 гг на 77%.

Перспективы фотоэлектрической солнечной энергетики в мире

Производство электричества из источников фотовольтаической солнечной генерации утроится в 2017-2021 гг и вырастет в 17 раз в 2018-2050.

Усредненная стоимость электричества, выработанного новыми PV электростанциями, снизится на 71% в 2018-2050 гг.

Источник

Фотогальваника: энергия солнца

Фотогальваника: энергия солнца

30-10-2009

Надежная, не требующая обслуживания и безвредная для окружающей среды техника – несбыточная мечта? Нет, потому что фотогальванические солнечные энергетические системы очень близки к этому идеалу. Особенно устройства, подключаемые к существующей электросети. Эта статья представляет собой обзор фотогальванических технологий и методов их применения, прежде всего, в индивидуальных хозяйствах и коммерческих целях.

Приведенные советы и рекомендации помогут принять правильное решение при планировании собственной энергетической установки.

Как работает фотогальваническая система

Фотогальванический процесс преобразует солнечный свет в электрическую энергию. Для этого необходим полупроводник со структурой, подобной той, которая применяется в электронике при изготовлении интегральных схем («чипов»).Полупроводниковые кристаллы – в основном, из кремния – преобразуют попадающие на них кванты света (фотоны) в постоянный электрический ток. Ток собирается через металлические контакты. Множество фотоэлементов собирается в блоки. Такие блоки, или фотогальванические панели, защищенные от воздействий окружающей среды стеклом и полимерами, составляют основу солнечной (фотогальванической) установки.

Автономные и сетевые установки

Сетевые установки представляют оптимальное решение для преобразования солнечного света в электрический ток. Они состоят из нескольких связанных между собой солнечных панелей, одного или нескольких преобразователей постоянного тока в переменный 220 В/50 Гц и разъема для подключения к локальной электросети. Преобразователь выполняет также регулирующие и управляющие функции для оптимизации получения энергии.

Полученная таким образом энергия может использоваться для питания локальных потребителей. Ее избыток накапливается местным энергоснабжающим предприятием, которое также заботится о равновесии количества потребляемой и вырабатываемой энергии. Существуют сетевые распределительные установки мощностью от 1 до 1000 кВт и даже выше.

Сетевое решение, по сравнению с локальным, имеет следующие преимущества:
— получаемый ток 220 В/50 Гц пригоден для питания обычных потребителей (бытовых приборов, освещения);
— не нужна отдельная сеть для «фотогальванических» потребителей;
— обмен энергией при ее недостатке или избытке происходит автоматически через сетевой разъем;
— не нужны локальные аккумуляторы;
— накопление энергии происходит непосредственно в сети;
— установка автоматически отключается при аварии в сети.

Установки малой мощности (от 0,1 до 1,5 кВт) обычно снабжены стандартным штекером и могут быть подключены к любой бытовой розетке. Однако для их работы необходимо наличие напряжения в сети. В случае аварии в сети АС-модули, как и сетевые установки большей мощности, из соображений безопасности автоматически отключаются.

Автономные солнечные установки являются идеальным вариантом там, где подключение к сети дорого или невозможно. Вместо преобразователя заряд и разряд аккумуляторов, служащих для накопления энергии, контролирует электронное устройство. Энергообеспечение удаленных от электрических сетей объектов, например горных селений или рекреационных объектов, может с успехом осуществляться с помощью автономных установок. Установки малой мощности питают придорожные колонки экстренного вызова, контролирующие видеокамеры, освещение дорожных знаков, а также калькуляторы и прочие приборы. Для подключения обычных приборов 220В/50Гц необходим специальный преобразователь.

Возможна комбинация автономной и сетевой установки. При этом избыточный ток после полной зарядки аккумуляторов через преобразователь подается в сеть. Преимущество такого решения состоит в следующем: при аварии в сети можно использовать установку, работающую в автономном режиме.

Какие объекты пригодны

Вообще солнечные элементы можно применять везде, где достаточно солнечного света. Лучшая ориентация: легкий наклон в южную сторону (от юго-востока до юго-запада). С целью уменьшения затрат солнечные батареи устанавливают на плоских поверхностях существующих или строящихся зданий. Пригодны следующие сооружения:
• существующие здания с освещенной солнцем поверхностью (плоские или наклонные крыши, фасады);
• новостройки, возможно со встроенными в оболочку здания солнечными элементами;
• сооружения инфраструктуры (ограждения, звукопоглощающие сооружения).

Следует избегать даже частичного затенения от дымоходов, антенн, соседних зданий, деревьев и пр. Затенение даже части панели значительно влияет на производительность всей установки.

Планирование мощности установки

Один квадратный метр панели с фотоэлементами вырабатывает 90–125 кВт-час переменного тока в год (1/3 в зимнее и 2/3 в летнее полугодие). Для планирования будущей установки следует учитывать, что:
• средняя семья из 4х человек потребляет около 3000 кВт-час электроэнергии в год (без горячей воды);
• на кВт установленной мощности необходимо 800–900 кВт-час электроэнергии.

Типичному хозяйству для 100% покрытия годовой потребности в электроэнергии необходима установка фотогальванических (солнечных) батарей площадью 25–35 м2.

Эксплуатация фотогальванических установок

Как правило, специальное ее обслуживание не требуется – достаточно регулярного осмотра установки. Для установок средней и большой мощности рекомендуется применение счетчиков продуцируемой энергии.

Фотогальваническая установка не содержит движущихся частей, поэтому срок ее эксплуатации очень большой. Фотоэлементы со временем мало изменяют производительность (80% номинальной мощности после 20ти лет эксплуатации). Срок эксплуатации определяется только механическими повреждениями и составляет 20–30 лет.

Преобразователи напряжения – это электронные приборы, и, как любая электроника, они могут выходить из строя. Хотя современные приборы и долговечны, рекомендуется регулярно контролировать их работу.

Автор: Журнал СКВО № 1 (15) 2009

Страница компании в каталоге: СКВО, Журнал

Источник