Puslaidininkiniai fotovoltinės energijos keitikliai (fotoelementai)
Fotoelementai yra elektroniniai prietaisai, skirti fotonų energijai paversti elektros srovės energija.
Istoriškai buvo išrastas pirmasis šiuolaikinio fotoelemento prototipas Aleksandras G. Stoletovas pabaigoje – XIX a. Jis sukuria įrenginį, kuris veikia išorinio fotoelektrinio efekto principu. Pirmąją eksperimentinę instaliaciją sudarė pora lygiagrečių plokščių metalo lakštų, iš kurių vienas buvo pagamintas iš tinklelio, kad galėtų prasiskverbti šviesai, o kitas buvo vientisas.
Lakštams buvo taikoma pastovi įtampa, kurią buvo galima reguliuoti nuo 0 iki 250 voltų. Teigiamas įtampos šaltinio polius buvo prijungtas prie tinklo elektrodo, o neigiamas - prie kietojo kūno. Į schemą taip pat buvo įtrauktas jautrus galvanometras.
Kai kietas lapas buvo apšviestas elektros lanko šviesa, galvanometro adata nukreiptas, o tai rodo, kad grandinėje generuojama nuolatinė srovė, nepaisant to, kad tarp diskų yra oro.Eksperimento metu mokslininkas nustatė, kad „fotosrovės“ dydis priklauso ir nuo taikomos įtampos, ir nuo šviesos intensyvumo.
Apsunkindamas montavimą, Stoletovas įdeda elektrodus į cilindrą, iš kurio pašalinamas oras, o per kvarcinį langą į jautrų elektrodą tiekiama ultravioletinė šviesa. Taigi jis buvo atviras nuotraukos efektas.
Šiandien, remiantis šiuo efektu, jis veikia fotovoltiniai keitikliai… Jie reaguoja į elektromagnetinę spinduliuotę, krintantį ant elemento paviršiaus, ir paverčia ją išėjimo įtampa. Tokio keitiklio pavyzdys yra saulės elementas… Tą patį principą naudoja ir šviesai jautrūs jutikliai.
Tipiškas fotoelementas susideda iš didelio atsparumo šviesai jautrios medžiagos sluoksnio, įterpto tarp dviejų laidžių elektrodų. Kaip fotovoltinė medžiaga saulės elementams, ji dažniausiai naudojama puslaidininkis, kuris, visiškai apšviestas, gali išvesti 0,5 volto.
Tokie elementai generuojamos energijos požiūriu yra efektyviausi, nes leidžia tiesiogiai vienu žingsniu perduoti fotonų energiją — elektros srovėje... Normaliomis sąlygomis tokių elementų efektyvumas yra 28 %.
Čia intensyvus fotoelektrinis efektas atsiranda dėl darbinės medžiagos puslaidininkinės struktūros nehomogeniškumo.Šis nehomogeniškumas gaunamas arba sumaišius naudojamą puslaidininkinę medžiagą su skirtingomis priemaišomis, taip sukuriant pn sandūrą, arba sujungiant puslaidininkius su skirtingo dydžio tarpais (energijos, kuriomis elektronai palieka savo atomus) – taip gaunama heterosandarija, arba pasirenkant tokią cheminę medžiagą. puslaidininkio sudėtis, kurios viduje atsiranda juostos tarpo gradientas – laipsniško tarpo struktūra. Dėl to tam tikro elemento efektyvumas priklauso nuo nehomogeniškumo charakteristikų, gautų tam tikroje puslaidininkio struktūroje, taip pat nuo fotolaidumo.
Siekiant sumažinti nuostolius saulės elementuose, jų gamyboje taikoma daugybė taisyklių. Pirma, naudojami puslaidininkiai, kurių juostos tarpas yra optimalus tiesiog saulės šviesai, pavyzdžiui, silicio ir galio arsenido junginiai, antra, optimalus dopingas pagerina konstrukcijos savybes. Pirmenybė teikiama nevienalytėms ir laipsniškoms struktūroms. Parenkamas optimalus sluoksnio storis, p-n sandūros gylis ir geriausi kontaktinio tinklelio parametrai.
Taip pat kuriami kaskadiniai elementai, kuriuose veikia keli puslaidininkiai su skirtingomis dažnių juostomis, kad per vieną kaskadą šviesa patektų į kitą ir tt Saulės spektro skaidymo idėja atrodo daug žadanti, kad kiekvienas iš jo regionai yra transformuojami iš atskiros fotoelemento dalies.
Šiandien rinkoje yra trys pagrindiniai fotovoltinių elementų tipai: monokristalinis silicis, polikristalinis silicis ir plona plėvelė.Plonos plėvelės laikomos perspektyviausiomis, nes yra jautrios net skleidžiamai šviesai, gali būti dedamos ant lenktų paviršių, nėra tokios trapios kaip silicis ir yra veiksmingos net esant aukštai darbo temperatūrai.
Taip pat žiūrėkite: Saulės elementų ir modulių efektyvumas