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:

Власть является ключевым фактором счастья в отношениях 11.03.2026

Исследования семейных и романтических отношений показывают, что длительное счастье пары зависит не только от привычных факторов, таких как доверие, уважение и преданность, но и от более тонких психологических аспектов. Современные ученые ищут закономерности, которые отличают действительно счастливые пары от остальных, чтобы понять, какие механизмы поддерживают гармонию в отношениях. Группа исследователей из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге и Бамбергского университета провела опрос среди 181 пары, которые состояли в совместных отношениях более восьми лет и прожили вместе хотя бы месяц. Участники заполняли анкету, описывая различные аспекты своих отношений, включая распределение обязанностей, эмоциональную поддержку и степень вовлеченности в совместные решения. Анализ данных показал интересный паттерн: пары, где оба партнера ощущали высокий уровень личной власти, оказывались наиболее счастливыми и удовлетворенными. В данном контексте под властью понимается способност ...>>

Защищенная колонка-повербанк Anker Soundcore Boom Go 3i 11.03.2026

Компания Anker представила новую модель линейки Soundcore - колонку Soundcore Boom Go 3i, ориентированную на активное использование на улице. Новинка отличается высокой степенью защиты: корпус соответствует стандарту IP68, что обеспечивает водо- и пыленепроницаемость, а ударопрочный дизайн выдерживает падение с высоты до одного метра. За качество звука отвечает 15-ваттный драйвер, обеспечивающий пик громкости до 92 дБ, а технология BassUp 2.0 усиливает низкие частоты, делая звучание более насыщенным. Колонка обладает автономностью до 24 часов, а LED-индикатор позволяет контролировать уровень заряда батареи. Кроме того, Soundcore Boom Go 3i может выполнять функцию павербанка: согласно внутренним тестам, устройство способно зарядить iPhone 17 с нуля до 40% за один час, что делает его полезным аксессуаром в походах и поездках. Среди функциональных особенностей модели стоит выделить технологию Auracast, которая улучшает подключение и позволяет создавать стереопару из двух колонок ...>>

Раннее воздержание от алкоголя перестраивает мозг и иммунитет 10.03.2026

Алкогольная зависимость - хроническое расстройство с компульсивным употреблением спиртного, которое влияет не только на поведение, но и на функционирование мозга и иммунной системы. Недавние исследования показали, что даже на ранних этапах воздержания организм начинает перестраиваться, открывая новые возможности для терапии зависимости. Ученые сосредоточились на пациентах, находящихся в первые недели абстиненции, и зафиксировали значительные изменения в мозговой активности. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии они выявили перестройку сетей нейронных связей, отвечающих за контроль импульсов и принятие решений. Эти изменения могут быть ключевыми для восстановления самоконтроля и снижения риска рецидива. Одновременно с нейронной перестройкой исследователи наблюдали колебания иммунной системы. В крови повышался уровень цитокинов - сигнальных белков, регулирующих воспалительные процессы. Эти данные свидетельствуют о существовании нейроиммунного взаимодействия, при ...>>

Случайная новость из Архива Компактные сканеры Brother ADS-1100W и ADS-1600W 05.02.2014 Модели ADS-1100W и ADS-1600W являются одними из самых быстрых компактных документ-сканеров, представленных сегодня на рынке, при этом они обеспечивают высокое качество сканирования с разрешением до 600х600 точек на дюйм. Благодаря 20-страничному автоподатчику загруженные документы сканируются в автоматическом режиме со скоростью до 18 страниц в минуту, позволяя сотрудникам заниматься более важными делами. Новые устройства подойдут компаниям с большим объемом документооборота, и позволят более эффективно управлять информацией. Обладая небольшими габаритами (285x103x84 мм), сканеры легко располагаются на рабочем столе, удобны для хранения и транспортировки. Помимо подключения к компьютеру с помощью USB-кабеля, устройства работают через Wi-Fi и могут использоваться одновременно нескольким сотрудниками офиса. Специальный слот для сканирования рельефных пластиковых карт и визиток позволяет удобно оцифровывать контактные данные, а с помощью фирменного приложения Brother iPrint & Scan пользователи могут сохранять отсканированную информацию напрямую в смартфон или планшет на всех популярных платформах (iOS , Windows Phone и Android). Флагманская модель ADS-1600W располагает цветным экраном тачскрин, который обеспечивает дополнительный комфорт во время работы. Обе модели имеют функцию двустороннего сканирования, благодаря чему позволяют получать до 36 изображений в минуту, и обладают функцией сканирования напрямую в облачные сервисы. Новые модели поставляются вместе с пакетом программного обеспечения, которое делает процесс оцифровки, хранения и обмена документами и информацией еще более удобным и быстрым. Например, позволяет сканировать документы в PDF-файл с функцией поиска, а информацию на визитках быстро размещать в редактируемые базы данных.

Другие интересные новости:

▪ Сварка дерева трением

▪ Беззеркальный фотоаппарат Canon EOS M10

▪ Электротурбины от Формулы-1 для дорожных машин

▪ Цветной монитор с электронными чернилами

▪ Растягиваемый дисплей LG

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Освещение. Подборка статей

▪ статья На переправе лошадей не меняют. Крылатое выражение

▪ статья Что называется бизнесом? Подробный ответ

▪ статья Гололед. Советы туристу

▪ статья Лазерный светотелефон. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Загадка стеклянного цилиндра. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026