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:

Курение отупляет 02.12.2024

Курение давно известно как фактор риска для множества заболеваний, но его влияние на умственные способности исследуется относительно недавно. Группа ученых из Университета штата Огайо провела масштабное исследование, результаты которого показали: курение связано с ухудшением когнитивных функций, особенно в среднем возрасте. В рамках работы исследователи проанализировали данные 136 тысяч человек старше 45 лет. Участники исследования были разделены на группы: активные курильщики и те, кто бросил курить недавно. Основной задачей было изучить, как их привычка влияет на здоровье мозга. Наиболее заметная связь между курением и ухудшением когнитивных способностей была обнаружена в возрастной группе от 45 до 59 лет. Ученые подчеркивают, что отказ от курения в этом возрасте может принести значительную пользу не только физическому, но и ментальному здоровью. Помимо снижения рисков сердечно-сосудистых и дыхательных заболеваний, прекращение курения может сохранить умственные способности, так ...>>

Технология точного распыления Greeneye Technology 02.12.2024

Израильская компания Greeneye Technology разработала уникальную систему точного распыления, основанную на искусственном интеллекте. Эта технология уже продемонстрировала впечатляющие результаты в США и готовится к первым испытаниям на австралийских полях. Основной особенностью технологии Greeneye является возможность точного распыления гербицидов исключительно на сорняки. Это решение позволило сократить использование остатков гербицидов в среднем на 87%, что снижает затраты фермеров и минимизирует экологический вред. Перенос этой технологии в Австралию станет важным шагом к повышению эффективности сельского хозяйства в регионе. Для продвижения технологии в Австралии Greeneye Technology сотрудничает с компанией Croplands, базирующейся в Аделаиде. Croplands, имея сильное региональное присутствие, уже давно зарекомендовала себя в области продажи и обслуживания систем точного опрыскивания. Финансовую поддержку проекту оказывает Grains Research and Development Corporation, что подчерк ...>>

Раковые клетки погибают в невесомости 01.12.2024

Исследователи из Сиднейского технологического института (Австралия) выяснили, что микрогравитация губительна для раковых клеток. В условиях, имитирующих невесомость, погибает до 90% злокачественных клеток - и это без применения лекарств. Для изучения этого явления ученые построили микрогравитационный стимулятор - специальное устройство, воспроизводящее условия невесомости. В этом аппарате они размещали культуры клеток различных видов рака, включая опухоли яичников, молочной железы, носа и легких. Через 24 часа результаты превзошли ожидания: от 80% до 90% раковых клеток подверглись гибели. Примечательно, что микрогравитация практически не оказывала аналогичного разрушительного эффекта на здоровые клетки. Несмотря на впечатляющие результаты, механизм, объясняющий, почему раковые клетки так чувствительны к микрогравитации, пока остается загадкой. Известно, что недостаток гравитации вызывает серьезные изменения в человеческом организме, например, снижение костной массы у космонавт ...>>

Случайная новость из Архива Аналоговые квантовые симуляторы 13.02.2023 Классические компьютеры не подходят для решения новых фундаментальных задач в области физики и не только. В будущем ученым могут с этим помочь универсальные и устойчивые к ошибкам квантовые компьютеры, но такие появятся еще нескоро. Однако если задачу нельзя просчитать, то почему бы не заняться экспериментами? Аналоговый квантовый симулятор может стать конструктором квантового мира, который поможет вскрывать самую загадочную физику за гранью теории. Исследователи из Стэнфордского университета в США и Университетского колледжа Дублина (UCD) в Ирландии в журнале Nature Physics опубликовали работу, в которой рассказали о создании нового типа высокоспециализированного аналогового компьютера (точнее - симулятора). Ученые представили один элемент такого "компьютера" - два соединенных особым образом наноразмерных металло-полупроводниковых компонента, встроенных в электронную схему. Предложенное решение имитирует взаимодействие двух элементарных частиц, в данном случае - атомов и электронов. Имитация настолько глубокая, что модель сохраняет все квантовые свойства атомов от межатомного взаимодействия до физических свойств частиц. Масштабируя платформу - выстраивая вещество атом к атому, как конструктор из кубиков "Лего" - можно добиваться моделирования материи с заданными свойствами и смотреть на ее реакцию при взаимодействии с другой материей и на изменение ее свойств. Рассчитать такое на масштабное модели сегодня не представляется возможным, а симуляции такое по плечу. Например, физики-теоретики пока не видят закономерностей для целенаправленного поиска материалов для высокотемпературной сверхпроводимости. Современные компьютеры не могут им помочь в расчетах, тем более что искать приходится вслепую. Моделирование поведения вещества на аналоговых квантовых симуляторах могло бы открыть путь к этому священному Граалю для энергетики и не только. Это позволит отставить теорию в сторону и проверить множество идей на практике. Собственно, аналоговые квантовые симуляторы нового типа могут помочь в продвижении к универсальным квантовым компьютерам. К примеру, есть идея в качестве кубитов использовать такие квазичастицы, как парафермионы (группы электронов при особом взаимодействии). Заряды электронов в таком состоянии (Z3) равны 1/3 от обычного заряда. В лабораторных условиях ученые еще не создавали такие частицы, а предложенная модель симулятора позволила их имитировать после соответствующей настройки напряжения на электродах. Фактически ученые в лаборатории создали материю, которой до этого в природе не было. И ведь ее можно изучить после этого! "Увеличив масштаб квантового симулятора с двух до многих наноразмерных компонентов, мы надеемся, что сможем моделировать гораздо более сложные системы, с которыми не могут справиться современные компьютеры, - сказал один из авторов работы. - Это может стать первым шагом к окончательному раскрытию некоторых из самых загадочных тайн нашей квантовой вселенной".

Другие интересные новости:

▪ Ткань будущего меняет форму и цвет

▪ Высокоскоростной цифро-аналоговый преобразователь ISL5627

▪ iPhone 6 будут собирать роботы

▪ Умный подгузник на платформе Intel

▪ Подвижный образ жизни повышает успеваемость в школе

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Биографии великих ученых. Подборка статей

▪ статья Халатное отношение. Крылатое выражение

▪ статья Какой физик не смог получить Нобелевскую премию, хотя номинировался 84 раза? Подробный ответ

▪ статья Воронец черный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Глянц-крахмал Люстрин. Простые рецепты и советы

▪ статья Индикатор КСВ-метра. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2024