1.    
  2.    
  3.     Як працює сонячна батарея

Як працює сонячна батарея

 

Все живе на землі виникло, завдяки енергії сонця. Щомиті на поверхню планети надходить величезна кількість енергії у вигляді сонячного випромінювання. В той час, як ми спалюємо тисячі тонн вугілля і нафтопродуктів для обігріву житла, країни, розташовані ближче до екватора знемагають від спеки. Пустити енергію сонця на потреби людини – ось гідна для допитливих умів завдання. У цій статті ми розглянемо конструкцію перетворювача прямого сонячного світла в електричну енергію сонячного елемента.

Найпростіша конструкція сонячного елемента (СЕ) на основі монокристалічного кремнію показана на малюнку.

Тонка пластина складається з двох шарів кремнію з різними фізичними властивостями. Внутрішній шар являє собою чистий монокристалічний кремній, що володіє “дірковою провідністю” (p-тип). Зовні він покритий дуже тонким шаром «забрудненого» кремнію, наприклад з домішкою фосфору (n-тип). (Про p-, n – і p-n типах див. статтю про діодах). На тильний бік пластини завдано суцільний металевий контакт. Біля кордону n-і p – шарів в результаті перетікання зарядів утворюються збіднені зони з нескомпенсированным об’ємним позитивним зарядом в n-шарі та об’ємним негативним зарядом у p-шарі. Ці зони в сукупності і утворюють p-n-перехід.

Виник на переході потенційний бар’єр (контактна різниця потенціалів) перешкоджає проходженню основних носіїв заряду, тобто електронів з боку p-шару, але безперешкодно пропускають неосновні носії в протилежних напрямках. Це властивість p-n-переходів і визначає можливість отримання фото-ЕРС при опроміненні ФЕП сонячним світлом. Коли СЕ висвітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електронно-діркові пари. Електрони, що генеруються у p-шарі поблизу p-n-переходу, підходять до p-n-переходу і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область.

Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в p-шар (рис. а). В результаті n-шар набуває додатковий негативний заряд, а p-шарі – позитивний. Знижується первісна контактна різниця потенціалів між p – і n-шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з’являється напруга (рис. б). Негативного полюса джерела струму відповідає n-шар, а p-шар – позитивного.

Більшість сучасних сонячних елементів володіють одним p-n-переходом. В такому елементі вільні носії заряду створюються тільки тими фотони, енергія яких більше або дорівнює ширині забороненої зони. Іншими словами, фотоелектричний відгук одноперехідного елемента обмежений частиною сонячного спектра, енергія якого вище ширини забороненої зони, а фотони меншою енергії не використовуються. Подолати це обмеження позвляют багатошарові структури з двох і більше СЕ з різною шириною забороненої зони. Такі елементи називаються многопереходными, каскадними або тандемными . Оскільки вони працюють зі значно більшою частиною сонячного спектра, ефективність фотоелектричного перетворення у них вище. У типовому многопереходном сонячному елементі поодинокі фотоелементи розташовані один за одним таким чином, що сонячне світло спочатку потрапляє на елемент з найбільшою шириною забороненої зони, при цьому поглинаються фотони з найбільшою енергією.

Пропущені верхнім шаром фотони проникають в наступний елемент з меншою шириною забороненої зони і т. д. Основний напрямок досліджень в області каскадних елементів пов’язано з використанням арсеніду галію в якості одного або кількох компонентів. Ефективність перетворення подібних СЕ досягає 35%! З технологічних причин, окремий сонячний елемент можливо виготовити тільки невеликого розміру, тому, для більшої ефективності поєднують кілька елементів у батареї.

Сонячні батареї чудово зарекомендували себе в космосі як досить надійне і стабільне джерело енергії, здатний працювати дуже тривалий час. Головну небезпеку для сонячних батарей в космосі представляють космічна радіація і метеорна пил, що викликають ерозію поверхні кремнієвих елементів і обмежують термін служби батарей. Для невеликих населених станцій цей джерело струму, мабуть, буде залишатися єдино прийнятним і досить ефективним.

13.01.2017

Написати коментар