Солнечные батареи как фотоэффект

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

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.

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

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