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.

фотовольтаический эффект 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.фотовольтаический эффект

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.