Принцип работы солнечных элементов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Хотя многие из нас этого не подозревают, способ получения электроэнергии из солнечного света известен более 100 лет. Явление фотоэлектричества впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839 г. В одном из своих многочисленных опытов с электричеством он поместил две металлические пластины в проводящий раствор и осветил установку солнечным светом. К своему величайшему изумлению, он обнаружил, что при этом вырабатывается электродвижущая сила (ЭДС).

Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873 г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов.

В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных фотоэлектрических преобразователей.

Лишь в начале 50-х гг. солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Основы теории полупроводников

Основным полупроводниковым материалом в современной электронике является кремний. Большинство современных солнечных элементов также изготавливается из кремния.

Полупроводник - это вещество, которое нельзя назвать ни хорошим проводником, ни хорошим изолятором. Например, медь - прекрасный проводник, область ее применения очень широка. Везде, где требуется передать электрическую энергию из одного места в другое, медь - незаменимый помощник. То же можно сказать и об алюминии.

С другой стороны, стекло имеет ничтожную электропроводность, но является хорошим диэлектриком. Если вам понадобится преградить путь электрическому току, эту задачу с успехом решит стеклянный изолятор. Кстати, изоляторы полюсных наконечников в первых телефонах изготовлялись из стекла.

Рис.1

Электропроводность полупроводников заключена между этими двумя предельными случаями. В некоторых случаях применения полупроводники могут служить как проводники, в ряде других - как изоляторы. Однако чистый кремний все-таки ближе к изоляторам и очень плохо проводит электрический ток. Причина этого объясняется особенностью его кристаллической структуры.

Атомы кремния связаны между собой с помощью так называемых валентных электронов. Лучше всего представить эти связи в виде "рук". Каждый атом кремния имеет четыре "руки".

Атомы кремния весьма "общительны", они не любят одиночества. Поэтому стараются держаться "за руки" с окружающими их атомами.

Поскольку каждый атом имеет четыре "руки", которыми он берется за "руки" соседей, все вместе они образуют решетку, показанную на рис. 1. В результате все четыре "руки" атома оказываются занятыми. Следовательно, в такой структуре нет свободных электронов ("рук"), А без свободных электронов вряд ли возможен электрический ток.

Для нужд электроники такое положение дел неприемлемо. Чтобы протекал ток, в составе кристалла необходимо иметь свободные электроны. Это достигается введением примесей в исходное вещество. Подобный процесс называется легированием.

Легирование полупроводника

Предположим, что мы взяли и заменили в нашей кристаллической структуре один атом кремния на атом, имеющий валентность, равную пяти (другими словами, имеющий пять "рук". Например, таким атомом является атом бора . Оказавшись среди своих "новых соседей" и взявшись с ними "за руки", этот атом вскоре обнаружит, что одна "рука" у него свободна. (Автор ошибается - в качестве донора (источника свободных электронов) используются атомы фосфора, имеющие валентность, равную пяти, а в качестве акцепторов, позволяющих ввести в кристалл кремния положительные заряды (дырки), применяются атомы бора, для которых характерна валентность, равная трем. - Прим. ред.)

Рис.2

Эта ни с кем не связанная "рука" есть не что иное, как свободный электрон. Так как атом бора более или менее удовлетворен тем, что четыре из пяти "его рук" - электронов заняты, его не особенно беспокоит судьба пятой. При малейшем возмущении электрон "оторвется".

Такова суть легирования. Чем больше примесей мы введем в кристалл, тем больше в нем будет свободных электронов и тем лучше кремний будет проводить электрический ток.

При легировании может происходить и обратный процесс. Если атом кремния заменить трехвалентным атомом, например фосфором, в нашей структуре появится так называемая дырка. Следовательно, в кристалле наблюдается недостаток электроне" и он с готовностью примет их в свою решетку.

Вследствие того, что в такой структуре атомы пытаются захватить электроны, образующиеся дырки будут перемещаться по структуре, испытывающей недостаток электронов. На самом же деле электроны движутся от дырки к дырке и, таким образом, проводят электрический ток.

Изготовление солнечного элемента

Теперь можно подумать, что если взять легированный кристалл кремния с недостатком электронов и легированный кристалл с избытком электронов и соединить их вместе, то что-то должно произойти.

Рис.3

При тесном механическом контакте двух кристаллов атомы в приповерхностных областях сближаются настолько, что атомы фосфора легко отдают свои лишние электроны, а атомы бора о готовностью их принимают.

В результате восстанавливается электрическое равновесие кристалла. Но вспомните, что кристаллы имеют очень жесткую структуру, поэтому обмен произойдет только между атомами, находящимися в самом тесном контакте друг с другом. Толщина области этого контакта не превышает размеров нескольких атомов, а объем полупроводника остается без изменений.

Конечно, чтобы получить такой эффект, требуется несколько большее, чем простое соединение двух кусков кремния вместе. Чаще всего кремний легируют, используя процесс высокотемпературной диффузии. В результате на границе между областями в глубине полупроводника, легированными разными примесями, образуется сверхтонкая область раздела, называемая p-n-переходом.

Именно внутри этой области происходит преобразование света в электричество.

Когда частица света, называемая фотоном, с достаточной энергией ударяется в p-n-переход, она выбивает электрон, делая его свободным, т. е. способным к перемещению. Энергия фотона при этом передается электрону. При этом в решетке кристалла образуется дырка. Необходимо иметь в виду, что область перехода стремится сохранить равновесие. Этот процесс, называемый фотоионизацией, происходит не только в области p-n-перехода, но и в любой другой части кристалла, в которую проникает солнечный свет, имеющий достаточно большую энергию, необходимую для создания свободных носителей заряда - электрона и дырки.

Вследствие того что в материале n-типа существует недостаток дырок, а в материале p-типа - недостаток электронов, дырка и электрон разделяются и мигрируют в разных направлениях.

Но теперь равновесие нарушено. Электрон, получивший энергию фотона, стремится вновь соединиться со своим антиподом (дыркой) и готов потратить на это свою энергию. К сожалению, p-n-переход представляет собой потенциальный барьер, который электрон не может преодолеть.

Однако если мы соединим области с проводим остями p- и n-типов между собой проводником, то это препятствие будет успешно преодолено и электрон "проберется" к своей дырке через "черный ход". При этом электрон расходует по пути свою энергию, которую мы используем.

Характеристики солнечного элемента

p-n-Переход представляет собой внушительную преграду для движения электронов. Но ее нельзя назвать непреодолимой. Энергии, которую электрон получает от фотона, обычно недостаточно, чтобы он мог преодолеть этот барьер и соединиться с дыркой, но так бывает не всегда.

Рис.4: 1 - верхняя токосъемная решетка; 2 - диффузионный слой n-типа; 3 - n-p-переход, 4 базовый слой p типа; 5 - нижний контакт.

Высота потенциального барьера p-n-перехода составляет около 600 мВ (0,6 В). Электроны с энергией более 600 мВ могут "подняться" на эту стену и поглотиться. Следовательно, максимальное напряжение, которое может развить солнечный элемент, составляет 600 мВ. Однако фактическое значение зависит от типа полупроводникового материала и конструкции солнечного элемента.

Рис.5

Подключение нагрузки к солнечному элементу снижает энергию некоторых электронов, включая и более энергичные среди них. В результате снижается суммарное напряжение солнечного элемента и число электронов, способных преодолеть барьер p-n-перехода.

При увеличении сопротивления нагрузки через нее будет "откачиваться" все большее число электронов, а напряжение еще больше уменьшится. Однако в некоторый момент происходит странная вещь. При напряжении 450 мВ (0,45 В) ток (поток электронов) перестает расти даже несмотря на то, что напряжение продолжает уменьшаться. Достигается "плато" тока.

Это явление связано с конечным числом фотонов, падающих на p-n-переход . Известно, что, чем больше фотонов достигают p-n-перехода, тем больше высвобождается электронов. Больше фотонов - больше ток.

Однако наступает момент, когда используется буквально каждый попавший в p-n-переход фотон и число свободных электронов, а следовательно, и ток больше не увеличиваются. Это соответствует появлению "плато" на характеристике солнечного элемента.

Конечно, число свободных электронов зависит еще от площади поверхности и интенсивности света. Очевидно, что с увеличением площади элемента захватывается больше фотонов и увеличивается ток. Подобным образом с увеличением интенсивности света возрастает концентрация фотонов при данной площади, что также увеличивает силу тока.

Коэффициент полезного действия солнечного элемента

Обычно среднюю интенсивность солнечного света, достигающего поверхности земли, принимают равной 100 мВт/см2. Иными словами, солнечный элемент размером 10x10 см2 теоретически должен генерировать 10 Вт мощности.

К сожалению, ни один солнечный элемент не может и даже не будет генерировать такой мощности: всегда будут иметь место потери. Наибольшая эффективность (коэффициент полезного действия), достигнутая до сих пор (да и то с каскадными фотоэлементами в экспериментальной лаборатории), составляет около 30%. К. п. д. обычного кремниевого солнечного элемента колеблется в пределах 10-13%. Элемент площадью 100 см2 может генерировать около 1 Вт мощности.

Конечно, к. п. д. солнечного элемента зависит от многих факторов, среди которых наиболее значительным является изменение температуры окружающей среды. С увеличением температуры решетка кристалла возбуждается и ее атомы колеблются более интенсивно. Это в свою очередь приводит к повышению энергетического уровня электронов внутри структуры. Со временем, когда энергетический уровень электронов повышается настолько, что большая их часть способна преодолеть потенциальный барьер p-n-перехода, в полупроводнике резко возрастает рекомбинация. Это приводит к уменьшению числа электронов, достигающих сеточных коллекторов, и электрический ток в нагрузке уменьшается. С другой стороны, низкая температура способствует фактическому усилению фотоэффекта.

Основной причиной уменьшения к. п. д. солнечных элементов с увеличением температуры является снижение величины потенциального барьера p-n-перехода, что приводит к падению напряжения, генерируемого элементом.

Автор: Байерс Т.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Робот Bean-Bot без моторов и программирования 07.09.2026

Робототехнику трудно представить без электродвигателей, аккумуляторов, датчиков и управляющего программного обеспечения. Однако исследователи Итальянского технологического института продемонстрировали, что для выполнения довольно сложных движений все эти компоненты иногда вовсе не обязательны. Созданный ими миниатюрный робот Bean-Bot способен самостоятельно прыгать, катиться, скользить, переворачиваться и преодолевать наклонные поверхности, используя энергию нагрева и особенности собственной конструкции. Идея разработки возникла благодаря необычному природному механизму. За основу специалисты взяли мексиканскую фасоль, которая способна неожиданно перемещаться из-за находящейся внутри семени личинки моли. В лаборатории биомиметической мягкой робототехники эту природную особенность переосмыслили с инженерной точки зрения. Получившийся Bean-Bot представляет собой легкую оболочку характерной формы, пружину из материала с памятью формы и несколько магнитов. Основным источником энергии ...>>

Ультраширокий монитор LG 40HT513D 07.09.2026

Компания LG Electronics презентовала свой новый профессиональный дисплей 40HT513D, сочетающий большую рабочую площадь с функциями, ориентированными специально на медицинские учреждения. Монитор оснащен 40-дюймовой изогнутой IPS Black-панелью с соотношением сторон 21:9 и разрешением 5120 x 2160 пикселей, что соответствует примерно 11 мегапикселям. Такая конфигурация позволяет разместить на одном экране несколько диагностических изображений без разделительных рамок, которые неизбежно возникают при использовании отдельных мониторов. Устройство предназначено для работы с рентгеновскими снимками, компьютерной и магнитно-резонансной томографией, а также другими медицинскими изображениями и получило разрешение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) в качестве медицинского устройства. По оценке LG, по площади рабочего пространства один 40HT513D способен заменить конфигурацию из трех 3-мегапиксельных медицинских мониторов. Для специалистов по лучевой диагностике это ...>>

Происхождение изображений ИИ становится все труднее установить 06.09.2026

Генеративный искусственный интеллект способен создавать изображения, в которых угадываются особенности определенных художественных стилей, однако установить источник конкретного визуального элемента оказывается значительно сложнее. Исследование специалистов лаборатории MIT CSAIL показывает, что по мере увеличения обучающего набора данных надежно определить, какое именно изображение повлияло на результат работы модели, становится практически невозможно. Чтобы изучить эту проблему, исследователи создали около двух десятков собственных диффузионных моделей и обучили их на наборах, содержащих от нескольких сотен до сотен тысяч изображений. В экспериментах использовались фотографии лиц, а также произведения различных художников. Независимо от размера и состава наборов данных ученые наблюдали одну закономерность: чем больше изображений использовалось для обучения, тем труднее становилось определить вклад отдельной работы в последующий результат. Это явление авторы назвали "утратой атрибуц ...>>

Случайная новость из Архива Роботизированные поезда лондонского метро 19.10.2014 Метрополитен столицы Великобритании по праву считается одной из крупнейших и самых сложных транспортных систем в мире. "Подземка" насчитывает 270 станций на 11 линиях, общая длина которых уступает лишь по данному показателю метрополитенам азиатских мегаполисов - Шанхая, Сеула и Пекина. Мэр Лондона Борис Джонсон (Boris Johnson) представил для граждан своего города проекты обновленных подземных поездов, которые, согласно техническим спецификациям, не нуждаются в машинисте и готовы доставлять пассажиров, полагаясь на собственные системы. Авторами концепта выступили специалисты компании Priestmangoode и сотрудники организации Transport for London. Автономные составы в лондонском метрополитене планируют ввести в эксплуатацию уже к 2022 году, а курсировать они станут по реконструированным лондонским линиям метро: Пикадилли, Бейкерлоо, Ватерлоо и Центральной. Представленный дизайн-проект роботизированного поезда разрабатывался с целью сделать поездку горожан и гостей Лондона еще быстрее и комфортнее. Последнему должны поспособствовать более широкий вход, рациональное распределение пространства благодаря изменениям в интерьере вагона, наличие персональной системы кондиционирования воздуха. Невзирая на то, что состав не требует наличия человека, который контролировал бы исправную работу всех систем, на первом этапе за движение поезда будет отвечать находящийся в его кабине управления машинист. Тем не менее, автоматика в новом поезде изначально рассчитана и позволит в дальнейшем выполнять абсолютно все операции без стороннего вмешательства. Экстерьер новых метрополитеновских поездов Лондона создавался с заимствованием классических атрибутов и традиционного британского стиля общественного транспорта. "Мы участвовали в проектах модернизации метрополитена во многих странах по всему миру, и наши специалисты прекрасно понимают не только, что необходимо пассажирам, но и как можно максимально упростить обслуживание и эксплуатацию подземного электротранспорта", - рассказал один из авторов проекта будущего автоматизированного состава, который должен появиться в британском метро уже через восемь лет.

Другие интересные новости:

▪ Суперкомпьютер успешно имитирует общение с подростком

▪ Новый источник питания 0 до 32 В

▪ Найден надежный способ передачи энергии без проводов

▪ Определены характеристики поляронов

▪ Атомные часы подтвердили теорию относительности

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Искусство видео. Подборка статей

▪ статья Куда Макар телят не гонял. Крылатое выражение

▪ статья Почему у змей нет ног? Подробный ответ

▪ статья Микросхемы серии К176. Радио - начинающим

▪ статья Устройство защиты маломощных ламп накаливания. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Электрическое освещение. Выполнение и защита осветительных сетей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026