Фотоэлектрическая ячейка, также солнечная ячейка, солнечный элемент, фотогальванический элемент, фотоэлемент, фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) - электрический устройство , Который действует как преобразователь И служит для преобразования части световой энергии (Как правило, видимых и инфракрасных электромагнитных волн ) в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта .
По принципу действия различают фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом. По конструктивному исполнению различают фотоэлементы электровакуумные и полупроводниковые. Используют в реле, в автоматической контрольной и измерительной аппаратуре, фотометрии.
В случае, если несколько фотоэлектрических ячеек определенным образом электрически соединенных между собой, завернутых в пластик , стекло , А для жесткой связи и защиты соединены с использованием алюминиевой рамы - называются солнечной панелью .
«Солнечные батареи» - условное название устройств, которые превращают лучистую энергию солнца в электрическую энергию. [1]
Фотоэлектрическая ячейка работает в значительной степени как фотодиод , Но имеет очень большую площадь кристалла по сравнению с фотодиодом. Фотоэлектрическим эффектом является создание электрического потенциала из материала, который подвергается воздействию света . Фотодиоды имеют прозрачный электрод, через который на электронно-дырочный pn переход поступает свет. [2] Корпуса серебряно-цинковых аккумуляторов изготавливают из пластмассы . [2]
Итак, принцип работы современных фотоэлементов базируется на полупроводниковом pn переходе . при поглощении фотона в области, прилегающей к pn перехода, создается пара носителей заряда : электрон и дыра . Одна из этих частиц является неосновным зарядом и с большой вероятностью проникает сквозь переход. В результате созданы благодаря поглощению энергии фотона заряды разделяются в пространстве и не могут рекомбинировать. В результате нарушается равновесие плотности зарядов. При подключении элемента к внешней нагрузки в кругу протекает ток .
Говорят о напряжении холостого хода и ток короткого замыкания. Напряжение холостого хода (Vvo) - максимальное напряжение (внешняя нагрузка бесконечное), которую может генерировать элемент. А ток короткого замыкания (Isc), это максимальный ток (когда внешняя нагрузка равна нулю), который может генерировать элемент. В рабочем режиме напряжение и ток есть меньше, и при определенных значениях (Vmax и Imax) элемент имеет максимальную мощность (Pmax).
Потери в солнечном элементе [ ред. | ред. код ]
Основные необратимые потери энергии в фотоэлементах связанные с:
- отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;
- прохождением части излучения через фотоэлемент без поглощения в нем ,;
- рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решетки избыточной энергии фотонов;
- рекомбинацией фотопара, образовавшиеся на поверхностях и в объеме фотоэлемента;
- внутренним сопротивлением преобразователя,
- некоторыми другими физическими процессами.
В августе 2009 г.. Ученые университета Нового Южного Уэльса достигли рекордной эффективности солнечных батарей - 43% (то есть 43% солнечной энергии превращается в электрическую). Однако, новый рекорд был установлен в лабораторных условиях. Так, свет перед попаданием на батареи было сфокусировано специальными линзами. Кроме того, стоимость всего оборудования далека от значений, которые позволили бы производить ее в промышленных масштабах. Рекорд для одной солнечной батареи в реальных условиях составляет примерно 25% [3] .
Солнечные панели используют в автономных системах, которые, как правило, длительный период времени не требуют обслуживания оператором (автоматические приборы радионавигации, космические аппараты и др.) - служат для электроснабжения в отдаленных районах Земли или на орбитальных станциях, спутниках - где невозможно использовать электросеть . Миниатюрные солнечные панели встраивают в калькуляторы от которых заряжаются встроенные аккумуляторы , А также для питания радиотелефонов, зарядных устройств, насосов.
Материалы для эффективных солнечных панелей должны быть согласованы с характеристиками спектра освещения.
Низкая концентрация солнечной энергии предусматривает покрытие фотовольтаической элементами значительных площадей, а следовательно изготовления достаточного количества кремния для таких элементов. [4] Для выработки солнечных фотопреобразователей используют и другие полупроводники, однако в массовом производстве относительно дешевый кремний с его практически неисчерпаемыми запасами сырья не имеет и в ближайшей перспективе не будет конкурентов. [4] [5]
Фотоэлементы изготавливают из различных полупроводниковых материалов. В настоящее время используется для фотоэлектрических солнечных элементов следующие материалы: монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, аморфный кремний, теллурид кадмия, арсенид галлия, сульфат кадмия и др. Процесс изготовления фотоэлемента близок к процессам изготовления других полупроводников.
Монокристаллические фотоэлементы наиболее сложные и дорогие поскольку для их изготовления требуется кристаллический кремний, однако имеют наибольшую эффективность (14% -20% преобразования света в электрическую энергию).
Поликристаллические или мультикристаллические фотоэлементы дешевле чем монокристаллические, однако менее эффективны.
Тонкопленочные фотоэлементы используют тонкие пленки изготавливаемые из расплавленного кремния, сульфата кадмия. Такие фотоэлементы наименее эффективны.
В космических аппаратах используются также многопереходных солнечные элементы или гетерофотоелементы. Такой элемент состоит из нескольких pn переходов (AlGaAs-GaAs), каждый из которых улавливает свет определенного спектра. Такие солнечные элементы достигают наивысшей эффективности - 35%. Большая сложность изготовления таких устройств делает их малораспространенными.
Для повышения эффективности преобразования света также используют концентрувальну оптику.
В настоящее время ведутся исследования по созданию гибких пленочных солнечных элементов, а также полупроводниковых красок, использованию органических полупроводников.
Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25 ° C он теряет в напряжении 0,002 В, то есть 0,4% / градус. Это представляет проблему для фотоэлементов с концентрувальною оптикой. Поэтому они нуждаются в дополнительном охлаждения.
Напряжение холостого хода, которая генерируется одним элементом, несколько меняется от одной фирмы-производителя к другой (и даже от одного элемента к другому в одной партии) и составляет около 0,6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента и его освещенности. Чтобы повысить выходную напряжение солнечные элементы соединяют последовательно . Такие соединения называют солнечной панелью. Недостатком такого соединения является меньшая надежность, поскольку в случае выхода из строя одного элемента (или просто попадание его в тень) уменьшается ток в целом батареи в целом. Впрочем, солнечные элементы не «боятся» короткого замыкания .
Стандартными условиями для паспортизации солнечных батарей во всем мире признаются такие [ источник? ]:
- освещенность 1000 Вт / м²,
- температура 25 ° C,
- спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45 °).
Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (1970 году 1 кВт * ч электроэнергии, производимой с их помощью, стоила $ 60, 1980 гг. - $ 1, сейчас - $ 0,20- $ 0,30 [ источник? ]). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 30% в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 50 МВт.
Австралийцами Х.Холструпом и Л.Перкином был сконструирован велосипед на солнечных батареях на котором конструкторы проехали 2500 миль Перти в Сидней. [6] До 1987 года это была самая длинная путешествие, осуществлена в любое время с использованием солнечной энергии. [6] На трассе этот транспорт двигался со скоростью 20 км / ч. [6]
В Украине ведущим производителем солнечных батарей является ОАО «Квазар» [ источник? ].
- Ерохов В. Ю. Альтернативная энергетика с использованием солнечных элементов / Нац. ун-т "Львов. политехника". - Львов: Сполом, 2015 - 116 c. - Библиогр .: с. 113-116.
