Сонячні елементи і їх основний принцип роботи

Сонячні пластини з селену

Більшість з нас не здогадуються, що ідея і принцип, що лежить в основі роботи сонячних батарей відкритий більше 170 років тому. Явище фотоефекту Едмон Беккерель першим відкрив і спостерігав в електроліті ще в далекому 1839. Сталося це в загальному то випадково і до 1873 року ніхто не звертав на це відкриття увагу, поки в 1873 році У.Сміт зауважив схожий ефект при освітленні сонячним світлом пластини з селену. Через 14 років Г. Герц продовжив вивчення цього ефекту. Природно на сьогоднішній день подібні досліди досить примітивні, але саме вони послужили основою для розвитку сонячних елементів на основі напівпровідників. Використовуючи всі ті ж пластини з селену Чарльз Фріттс зміг зробити фотоелементи з ККД 1-2%. Працювали його фотоелементи в видимому діапазоні світла. До речі з селену по нинішній день виробляють світлочутливі елементи для фотоапаратів і відеокамер.

Кремнієві елементи

Наступним кроком у вдосконаленні елементів сонячних батарей став винахід в знаменитій лабораторії Белла (Bell Labs) кремнієвого елементу. Саме ці сонячні елементи на основі кремнію стали прототипом сучасних фотоелементів. Більш менш прийнятний ККД 6% був досягнутий американськими вченими Г. Пирсоном, К. Фуллером і Д. Чапліним (США) в 1953-54. А вже в 1958 р США вивели на орбіту супутник “Авангард” на борту якого були сонячні батареї. Потужність сонячної батареї на цьому супутнику була всього лише 1 Вт і служила вона для живлення радіопередавача. Саме потреба в сонячних елементах в космосі дала важливий поштовх для їх розвитку. Криза в нафтовій галузі в середині 70-х років XIX століття також вплинула на розвиток галузі, підстьобнувши деякі країни, і зокрема США до установки великої кількості сонячних батарей. Тільки в США їх було встановлено понад 4000 тисячі. Більшість тих установок успішно працюють і понині.

Фотовольтаїчний ефект

Основа перетворення світлової енергії в електрику – це фотовольтаїчний ефект. Сонячні елементи “р” типу мають фронтальну (лицьову) сторону в якості негативного полюса, а тильна сторона це позитивний контакт. Елементи “n” типу мають тильну сторону в якості негативного контакту, а робочу / лицьову сторону в якості позитивного контакту. Елементи “р” типу набули більшого поширення. Будова сонячного елемента нагадує бутерброд, який складається з двох напівпровідників у вигляді пластинок. В одній пластинці надлишок електронів, а в інший дефіцит. Фотон світла пробуджує сплячий електрон і проникнення цього електрона в пластинку з недоліком електронів викликає електричний струм. Підвищення ККД елементів безпосередньо пов’язано з удосконаленням матеріалів “р” і “n” шарів. Фізика цього явища надзвичайно складна, і не заглиблюючись в неї, опишемо лише практичну сторону справи. В основному для виробництва сонячних елементів використовуються кремній (Si) і арсенід галію (GaAs). Кремній більш дешевий і доступний, але GaAs має більш високий ККД – 28% і більше. Кремній ж в масовому виробництві досяг показника в 18-20%. Для “наземки” – фотоелектричних станцій наземного базування кремній це основний матеріал. Арсенід галію через дорожнечу в основному застосовується в космічних програмах. Кремній розрізняють монокристалічний (монокремній) і полікристалічний (мультікремній). На фото нижче можете бачити сонячні елементи одного і іншого типу.

 

© 2019 Smarty.