Фотоелектричне перетворення сонячного випромінювання. Сонячний елемент

Сонячний елемент (фотоелемент, фотоелектричний перетворювач — ФЕП) — це напівпровідниковий прилад що служить для перетворення

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К. т.н., доц. Є. О. Баганов

світлової енергії у електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту.

Принцип роботи

Conduct і on band __ forbi dden band valence band

____

І і ght Принцип роботи сучасних

(impurity state, etc.)

electron

фотоелементів базується на напівпровідниковому р-n переході. При поглиннанні фотона в області, яка прилягає до р-n переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна із цих частинок є неосновним зарядом і з великою ймовірністю проникає крізь перехід. В результаті створені завдяки V поглинанню енергії фотона заряди розділяються в просторі й не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага густини зарядів. При під’єднанні елемента до зовнішнього

навантаження у колі протікає струм.

Говорять про напругу холостого ходу і струм короткого замикання. Напруга холостого ходу (Vvo) — максимальна напруга (зовнішнє

навантаження нескінченне), яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (Isc), це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження дорівнює нулю), який може генерувати елемент. У робочому режимі напруга і струм є меншими, і при певних значеннях (Vmax і Imax) елемент має максимальну потужність (Pmax).

Втрати у сонячному елементі

Основні необоротні втрати енергії у фотоелементах пов'язані з:

відбиттям сонячного випромінювання від поверхні перетворювача, проходженням частини випромінювання через фотоелемент без поглинання в ньому,

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К. т.н., доц. Є. О. Баганов

розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки надлишкової енергії фотонів,

рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об'ємі фотоелемента,

внутрішнім опором перетворювача.

Сонячні елементи служать для електропостачання у віддалених районах Землі або на орбітальних станціях, де неможливо використовувати електромережу, а також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.

В серпні 2009 р. вчені Університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної ефективності сонячних батарей - 43%. Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили б виробляти ії в промислових масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах складає приблизно 25%.

Матеріали

Фотоелементи виготовляють з різноманітних напівпровідникових матеріалів. Монокристалічні фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14 %-20 % перетворення світла у електричну енергію).

Полікристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи використовують тонкі плівки що виготовляються з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

У космічних апаратах використовуються також багатоперехідні сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К. т.н., доц. Є. О. Баганов

спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності — 35 %. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними.

Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрувальну оптику.

На даний момент ведуться дослідження по створенню гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використанню органічних напівпровідників.