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:

Микропластик в атмосфере - скрытый ускоритель глобального потепления 31.05.2026

Микропластик уже давно признан одним из самых масштабных загрязнителей планеты. Он проникает в океаны, почву, организмы животных и даже в тело человека. Однако до недавнего времени мало кто задумывался о его влиянии на климатические процессы. Новое исследование показало, что микро- и нанопластик в атмосфере способен поглощать тепло, тем самым внося дополнительный вклад в глобальное потепление. Ученые обнаружили, что воздействие пластиковых частиц на климат зависит от их цвета. Светлые частицы отражают солнечный свет и способствуют некоторому охлаждению, в то время как более темные - активно поглощают тепло и излучение. Со временем пластик в атмосфере темнеет под воздействием ультрафиолета, что усиливает его согревающий эффект. Этот процесс напоминает пожелтение пластиковых парковочных талонов, оставленных на солнце. Соавтор исследования, заслуженный профессор наук о Земле в Университете Дьюка Дрю Шинделл отметил, что влияние микропластика на изменение климата пока относительно не ...>>

Универсальный бытовой робот-гуманоид GigaAI SeeLight S1 31.05.2026

Развитие робототехники постепенно переносит сложные машины из промышленных цехов прямо в повседневную жизнь людей. Китайская компания GigaAI сделала важный шаг в этом направлении, представив SeeLight S1 - первую в стране модель универсального бытового робота-гуманоида. Эта разработка призвана взять на себя рутинные домашние дела и стать настоящим помощником в повседневной жизни. Уже в конце текущего месяца сотня роботов SeeLight S1 начнет проходить испытания в специализированном жилом комплексе, предназначенном для работников высокотехнологичных отраслей. По словам генерального директора GigaAI Чжу Чжэна, в первой половине 2027 года роботы будут переданы для бесплатного тестирования обычным семьям в Ухане - столице провинции Хубэй. Такой подход позволит собрать реальные данные о работе устройства в домашних условиях. В демонстрационном видео робот, передвигающийся на колесах, уверенно справляется с множеством бытовых задач. Он нарезает овощи, жарит яйца, загружает стиральную маши ...>>

Вкусовые пристрастия формируются еще в утробе 30.05.2026

Предпочтения человека к еде закладываются задолго до первого прикорма. Современная наука подтверждает, что ребенок начинает знакомиться с ароматами и вкусами пищи еще до рождения, через околоплодные воды. Новое международное исследование показало, что регулярное потребление определенных продуктов беременной женщиной может формировать долгосрочные пищевые предпочтения у ребенка, сохраняющиеся даже спустя годы после появления на свет. Ученые из университетов Великобритании, Франции и Нидерландов провели эксперимент с участием беременных женщин. Одной группе будущих мам давали капсулы с порошком капусты кейл, другой - с порошком моркови. Реакцию детей на эти запахи проверяли в три этапа: сначала в утробе матери с помощью 4D-УЗИ на поздних сроках беременности, затем в возрасте трех месяцев и, наконец, когда детям исполнилось три года. Результаты оказались весьма убедительными. Дети женщин, принимавших порошок кейла, положительно реагировали на запах этой капусты, но негативно - на ар ...>>

Случайная новость из Архива Стабильный теплый светодиод 03.02.2013 Светодиоды известны высоким уровнем энергосбережения и длительностью работы, а основным препятствием к массовому использованию в качестве источника внутреннего освещения является холодный синеватый свет. Ученые из Университета Джорджии (США) создали первый теплый белый светодиод с одним светоизлучающим элементом. "Сейчас светодиоды используются в основном во вспышках и автомобильных фарах, но они дают синеватый холодный свет, - говорит главный автор исследования адъюнкт-профессор Женгвей Пан. - Наш материал позволяет достичь необходимой цветовой температуры и передачи цвета, что ранее не удавалось ни с одним светодиодом". Для описания искусственного света используются две величины, говорит Пан. Первая - цветовая температура, измеряемая в градусах Кельвина. Температура чуть ниже 4000 К идеальна для внутреннего освещения. А синеватый свет существующих светодиодов имеет температуру более 5000 К. Вторая важная величина, индекс цветопередачи, характеризует соответствие цветопередачи естественному освещению. Здесь для внутреннего освещения идеальны значения выше 80, при снижении этого параметра цвета начинают выглядеть неестественно. Разработанный материал дает цвет, вписывающийся в оба ограничения: с цветовой температурой менее 4000 К и индексом цветопередачи 85. Теплый свет можно получить и от синеватого светодиода, покрыв его отдельным слоем люминофора, обладающего другими характеристиками испускаемого света. Но сочетание материалов в точной пропорции - достаточно сложная и дорогая процедура, а полученный свет нестабилен, поскольку вещества по-разному реагируют на температурные изменения. Использование единственного люминофора решает все эти проблемы. Для его создания ученые смешали в мельчайших количествах порошки графита и оксидов европия, алюминия и бария, а затем прогрели смесь до 1450 градусов. Энергоэффективность нового люминофора пока заметно ниже существующих холодных светодиодов. Кроме того, даже незначительные изменения в температуре и давлении при его создании могут изменить цветовые характеристики, что также критично для промышленного производства. Люминофор обладает новой, ранее никогда не наблюдавшейся кристаллической структурой. Это дает надежду на то, что тщательное изучения вещества на атомном уровне поможет улучшить его свойства и избавиться от описанных сложностей. "Нам предстоит еще много работы, - говорит Пан. - Но полученные цветовая температура и цветопередача станут отличной отправной точкой".

Другие интересные новости:

▪ Комплект разработки интерфейса камеры

▪ В каменноугольном периоде дышалось легче

▪ STLVD385B - передатчик ТТЛ-сигналов

▪ Смарт-часы Canyon CNS-SW71 для активного отдыха

▪ Твердотельный накопитель Kingston Digital KC3000

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрику. ПТЭ. Подборка статей

▪ статья Революционный держите шаг, неугомонный не дремлет враг. Крылатое выражение

▪ статья Что увидел в телескоп Галилео Галилей? Подробный ответ

▪ статья Дриада. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Виды биотоплива. Синтетическое топливо. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Волшебный кувшин. Секрет фокуса

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026