Будова і принцип дії сонячних елементів

Як працюють сонячні елементи

В сонячних елементах і панелях (батареях) сонячних елементів для отримання електричного струму використовується енергія Сонця - потужність потоку сонячного випромінювання на один квадратний метр становить приблизно 1350 Ват.

Принцип дії сонячного елемента

Будова найпростішого сонячного елементу та основний принцип його дії наступні. Береться звичайний напівпровідник - дві пластини, приєднані одна до одної. Вони вироблені з кремнію з додаванням в кожну з них певних домішок, завдяки яким отримуються елементи з потрібними властивостями: перша пластина має надлишок валентних електронів, друга ж, навпаки, їх недолічує. У підсумку, в напівпровіднику є шар негативно заряджений і шар позитивно заряджений, тобто шари «n» і «p».

Будова_найпростішого_сонячного_елемента

На самій межі дотику цих пластин є зона замикаючого шару. Цей шар протидіє переходу надлишкових електронів з шару «n» у шар «p», де даних електронів не вистачає (місця з відсутніми електронами називають дірками). Якщо підключити до подібного напівпровідника зовнішнє джерело живлення («+» до «p» і «-» до «n»), то зовнішнє електричне поле змусить електрони подолати замикаючу зону і через провідник потече струм.

Щось подібне відбувається і при дії сонячного випромінювання на сонячний елемент. Коли фотон світла влітає в шари «n» і «p», він передає свою енергію електронам (що знаходяться на зовнішній оболонці атомів), котрі вивільняються, а на їх місці з’являється дірка. Електрони з отриманою енергією вільно долають замикаючий шар напівпровідника і переходять з шару «p» в шар «n», а дірки, навпаки, переходять з шару «n» у шар «p».

Цьому переходу електронів їх області «p» в область «n» і дірок з області «n» у область «p», також сприяють електричні поля позитивних зарядів, що знаходиться в зоні «n» провідника і негативних - в зоні «p », які ніби втягують в себе, одні - електрони, інші - дірки. У підсумку, шар «n» набуває додаткового негативного заряду, а «p» - позитивного. Результатом цього явища буде поява в напівпровіднику різниці потенціалів (напруги) між двома пластинами близької до 0.5 В.

Сила електричного струму, який може генерувати сонячний елемент, змінюється пропорційно кількості захоплених поверхнею фотоелемента фотонів. Цей показник, у свою чергу, також залежить від безлічі додаткових чинників: інтенсивності світлового випромінювання, площі, що має фотоелемент, часу експлуатації, ККД пристрою, що залежить від температури (при її підвищенні, провідність фотоелемента значно падає).

Ось чому потрібно пам’ятати про наступне: сонячні елементи (фотоелементи, батареї) не здатні бути дуже потужними, вони не можуть працювати в безперервному режимі (через природну зміну дня і ночі), для стабілізації основних параметрів - сили струму і напруги - з'являється необхідність у використанні додаткових пристроїв (стабілізатори, акумулятори тощо).

Але як додаткове джерело електроенергії сонячні елементи (батареї) прекрасно можуть використовуватися в тих місцях, де потрібні невеликі потужності і немає можливості підключиться до міської електромагістралі. При поєднанні роботи сонячного елемента і електричного акумулятора, виходить повністю автономна система електропостачання, яку можна використовувати в районах з гарною сонячною освітленістю і потребою в малих електричних потужностях.

Будова сонячного елемента

Будова_сонячного_елекмента

На зображенні, показаному вище, можна бачити, що верхній шар p-n переходу, який має надлишок електронів, з'єднаний з металевими пластинами, які виконують роль позитивного електрода, пропускаючи світло і додаючи елементу додаткову жорсткість. Нижній шар в конструкції сонячної батареї має нестачу електронів, до нього приклеєна суцільна металева пластина, що виконує функцію негативного електрода.

Вважається, що в ідеалі сонячна батарея має близький до 20% ККД. Однак на практиці і за даними фахівців сайту www.sun-battery.biz він приблизно дорівнює всього 10%, при тому, що для деяких сонячних батарей він більший, для деяких менший. В основному це залежить від технології, за якою виконаний p-n перехід. Найбільш вживаними та такими, що мають найбільший відсоток ККД, продовжують бути сонячні батареї, виготовлені на основі монокристалу або полікристалу кремнію. Причому другі через відносну дешевизну стають дедалі поширенішими.

До якого типу конструкції сонячна батарея відноситься можна визначити неозброєним оком. Монокристалічні мають виключно чорно-сірий колір, а моделі на основі полікристалу кремнію виділяє синя поверхню. Полікристалічні сонячні батареї, що виготовляються методом лиття, виявилися дешевшими у виробництві. Проте і в полі, і в монокристалічних пластин є один недолік - конструкції сонячних батарей на їх основі не мають гнучкості, яка в деяких випадках не завадить.

Ситуація змінилась з появою в 1975 році сонячної батареї на основі аморфного кремнію, активний елемент якої має товщину від 0,5 до 1 мкм, забезпечуючи їй гнучкість. Товщина звичайних кремнієвих елементів досягає 300 мкм. Однак, незважаючи на властивість аморфного кремнію поглинати світло, яка приблизно в 20 разів вище, ніж у звичайного, ефективність сонячних батарей такого типу не перевищує 12%. Для моно- і полікристалічних варіантів він може досягати 17% і 15% відповідно.

Матеріал, з якого виготовлені пластини, впливає на характеристики сонячних батарей.

Чистий кремній у виробництві пластин для сонячних елементів практично не використовується. Найчастіше в якості домішок для виготовлення пластини, що виробляє позитивний заряд, використовується бор, а для негативно заряджених пластин миш'як. Крім них при виробництві сонячних елементів все частіше використовуються такі компоненти, як арсенід, галій, мідь, кадмій, телурид, селен та інші. Завдяки ним сонячні елементи стають менш чутливими до перепадів оточуючих температур.

Більшість сонячних батарей можуть накопичувати енергію, представляючи собою так звані системи. Враховуючи, що фотоелектричні елементи виробляють електричний струм тільки при прямому впливі сонячних променів або світла, вночі або в похмурий день вони стають практично непотрібними. З системами на сонячних батареях все по-іншому. Вони обладнані акумулятором, здатним накопичувати електричний струм вдень, коли сонячна батарея його виробляє, а вночі накопичений заряд може віддаватись споживачам.

Українська

Додати новий коментар

Користувацький пошук