III. Фотогальванический эффект. Устройство и принцип работы селенового фотоэлемента. Принцип работы фотоэлементаПринцип работы фотоприёмникаОсновным элементом ПРОМ является фотоприёмник,изготавливаемый обычно из полупроводникового материала. В основе работы фотоприёмника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещённой зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводниках электронно-дырочных пар обеспечивается путём разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с р-n-переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприёмников, применяемых в ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды , лавинные фотодиоды ,фототранзисторы. Рассмотрим принципы работы фотоприёмника на примере p-i-n фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р+ - и n+-типа (+ означает сильное легирование), ( рис.17а ). I-слой называют обеднённым слоем, так как в нём нет свободных носителей зарядов. На p-i-n-структуру подаётся напряжение с обратным смещением Uo (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими и максимальное значение напряжённости электрического поля (или градиент потенциала) создаётся в i – слое. Но поскольку в нём нет свободных носителей, нет и электрического тока, так что i – слой испытывает только поляризацию.
Рис. 17. Структура, включение и распределение потенциала: а) p-i-n-фотодиода; б) лавинного фотодиода. При наличии падающего света на i – слой, в нём образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к соответствующим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i – слоем, так как при попадании фотонов в р+- и n+- слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+- и n+- слои как можно тоньше, а обеднённую область делают достаточно большой протяжённости., чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. Фотодиоды изготавливаются из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн, в которых достигается максимальная эффективность фотодиодов, зависят от материала полупроводниковой основы фотодиода,(таблица 3). Таблица 3. Материалы, используемые для пром различных длин волн
Квантовая эффективность обеднённой области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока – порядка 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой. Для уменьшения отражения приёмную поверхность обеднённого слоя покрывают антиотражающим слоем – специально подобранным, прозрачным для рабочей длины волны о. Толщина антиотражающего слоя кратна о/4, а показатель преломления определяется как гдеи– показатели преломленияi – слоя и воздуха studfiles.net Устройство и принцип действия полупроводникового фотоэлемента. Физический эффект работы.
Работы ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. Схема устройства кремниевого ФЭ показана на рис. 1. Технологическими методами электроосаждения или напыления металлический (никелевый) слой (электрод 1) нанесен на тыльную сторону кристаллической кремниевой основы. Она легирована путем диффузии либо способом ионной бомбардировки в своей нижней части примесными (акцепторными) атомами бора (или алюминия), а в верхней, более тонкой части – донорными атомами фосфора (или мышьяка). В результате легирования образованы слой 2 – полупроводник p-типа с основными носителями зарядов положительного знака (дырками) и слой 3 – полупроводник n-типа с основными носителями зарядов отрицательного знака (свободными электронами). На лицевую сторону кристалла нанесен узкий электрод 4. Припаянные к 1 и 4 отводящие проводники 5 служат для подключения сопротивления нагрузки 6 или других ФЭ. Внешние радиационные (световые, тепловые) воздействия обусловливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных носителей в p- и n-областях. Под влиянием электростатического притяжение разноименные свободные основные носители диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее p-n гетеропереход с напряженностью электрического поля Ек (рис. 1), контактной разностью потенциалов Uк=sEк и потенциальным энергетическим барьером Wк=eUк для основных носителей, имеющих заряд е. Напряженность поля Ек препятствует их диффузии за пределы пограничного слоя шириной s. Напряжение Uк=(kT/e)ln(pp/pn)=(kT/e)ln(nn/np) зависит от температуры Т, концентрации дырок (pp, pn) или электронов (nn, np) в p- и n-областях (индексы р, n), заряда электрона е и постоянной Больцмана k. Для неосновных носителей Ек – движущее поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из области р в область n, а дырок – из области n в область р. Область n приобретает отрицательный заряд, а область р – положительный, что эквивалентно приложению к p-n переходу внешнего электрического поля с напряженностью Евш, встречного с Ек. Поле с напряженностью Евш –запирающее для неосновных и движущее для основных носителей. Динамическое равновесие потока носителей через p-n переход приводит к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 – ЭДС холостого хода ФЭ. Эти явления могут происходить радже при отсутствии освещения p-n перехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов), которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла с энергетическими уровнями W. Если энергия фотона Wф=hν (ν – частота волны света, h – постоянная Планка) больше W, электрон покидает уровень и порождает здесь дырку; p-n переход разделяет пары электрон – дырка, и ЭДС U0 увеличивается. Если подключить сопротивления нагрузки Rн, по цепи пойдет ток I, направление которого встречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами полупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потока Ф, но не превосходит предельного тока Iп ФЭ, который получается при переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший рост числа неосновных носителей невозможен. В режиме КЗ (Rн=0, Uн=IRн=0) напряженность поля Евш=0, p-n переход (напряженность поля Ек) наиболее интенсивно разделяет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента Iф для заданного Ф. Но в режиме КЗ, как и при холостом ходе (I=0), полезная мощность P=UнI=0, а для 0<Uн<U0 и 0<I<Iф будет P>0. Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ дляT=300 K, Ф=1 кВт/м2 и Rвq=4 Ом·см2(Rв– внутреннее сопротивление, обусловленное материалом ФЭ, электродами и контактами отводов; q – площадь ФЭ) представлена на рис. 2. Известно, что в заатмосферных условиях Ф=1.39 кВт/м2, а на уровне Земли (моря) при расположении Солнца в зените и поглощении энергии света водяными парами с относительной влажность 50% либо при отклонении от зенита на 60º в отсутствие паров воды Ф=0.88÷0.89 кВт/м2. studfiles.net III. Фотогальванический эффект. Устройство и принцип работы селенового фотоэлемента.Внутренний фотоэффект – явление при котором электроны, вырвавшись из атома, становятся свободными, но остаются в самом веществе. Одной из разновидностей внутреннего фотоэффекта является фотогальванический эффект, при котором на границе раздела двух сред (металл – полупроводник или полупроводник – полупроводник) с разными типами проводимости возникает фото ЭДС, пропорциональная лучистому потоку. Рассмотрим устройство селенового фотоэлемента ( Рис. 4 ). лучистая энергия 1.Пластмассовая пластинка 2.Слой селена, напыляемый на пластмассу 3.Очень тонкий (прозрачный) слой металла, напыляемый на селен. . Рис. 4. Селеновый фотоэлемент Селеновый фотоэлемент представляет собой круглую или прямоугольную пластмассовую пластину (1), на которую напыляется слой селена (2). На селеновый слой напыляется очень тонкий прозрачный слой металла (3). Граница раздела металла и селена называется запирающим слоем, так как он пропускает носителя зарядов (электроны) только в одном направлении из полупроводника в металл. При контакте металла и полупроводника ( селен полупроводник n типа ) произойдет диффузия электронов из полупроводника в металл через границу контакта и приконтактный участок полупроводника вследствие убыли электронов зарядится положительно по отношению к металлу, то есть возникнет контактная разность потенциалов (КПР). Тонкий слой металла пропускает фотоны лучистой энергии (видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей) в селен. В полупроводнике происходит внутренний фотоэффект, освобожденные фотоэлектроны переходят из полупроводника в металл. Если подключить к металлу и полупроводнику измерительный прибор, то при освещении контактного слоя в цепи возникнет электрический ток, который называется фототок. IV. Фоторезистор.Фоторезистор - это фотоэлектрический прибор на внутреннем фотоэффекте. Под действием лучистой энергии (видимого света, ультрафиолетового или инфракрасного излучения, рентгеновских лучей) в веществе освобождаются от связей в атоме и становятся свободными электроны, которые увеличивают проводимость вещества. Данный вид фотоэффекта называется фоторезистивным эффектом. Устройство фоторезистора: Фоторезистор представляет собой пластмассовую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового вещества (сернистые или селенистые соединения свинца, висмута или калия) С обоих сторон полупроводникового слоя делаются выводы для подключения резистора в электрическую цепь, а сам слой для защиты от влаги и механических воздействий покрывается прозрачным лаком. При отсутствии падающего света фоторезистор диэлектрик. При освещении фоторезистора за счет внутреннего фотоэффекта происходит увеличение концентрации электронов в объеме фоторезистора. Резистор становится проводником - сопротивление уменьшается пропорционально падающему световому потоку. Фоторезисторы используются в медицинских приборах для измерения гемоглобина в крови, для определения степени насыщения крови кислородом. studfiles.net Электровакуумные фотоэлектронные приборы Фотоэлементы. Устройство. Принцип работыКвантовая и оптическая электроника. Лекция N5 Электровакуумные фотоэлектронные приборы - это приборы, которые преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы. Принципы работы электровакуумных фотоэлектронных приборов основаны на использовании фотоэлектронной эмиссии. Рассмотрим основные свойства электровакуумных фотоэлектрических приборов, к которым относятся фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Фотоэлементом называют электровакуумный прибор, использующий при своей работе явление внешнего фотоэффекта. Различают электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы, которые отличаются друг от друга степенью разреженности газа в рабочем пространстве. В настоящее время наиболее широко применяются электровакуумные фотоэлементы, которые имеют два электрода: фотокатод, служащий источником электронов, и анод, собирающий фотоэлектроны. Анод изготавливают в виде плоской сетки, кольца, диска и т.д.; анод без больших потерь должен пропускать свет на фотокатод. В видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях спектра наибольшее применение находят фотокатоды на основе полупроводниковых материалов. Основными параметрами фотокатодов являются: - монохроматическая токовая чувствительность Sф(λ), которая определяется отношением фототока Iф к полной мощности излучения Pизл с длиной волны λ, падающей на чувствительную площадку, т.е. Sф(λ)=Iф/Pизл(λ), А/Вт - интегральная токовая чувствительность: Sфинт=λSфdλ где Sф - спектральная плотность чувствительности, Sф=А/(Втмкм), λ=мкм; - квантовый выход или квантовая эффективность - отношение числа выбитых с катода электронов к общему числу падающих фотонов; - удельное сопротивление 1 см2 площади фоточувствительного слоя; - плотность тока термоэмиссии при комнатной температуре. По области рабочего спектра фотокатоды разделяются на: - работающие в ультрафиолетовой области излучения. - видимой области излучения. - инфракрасной области излучения. Фотоэлементы классифицируются на основе конструктивных признаков фотокатодов. В соответствии с этим все фотоэлементы можно разбить на три группы (Рис.1): 1) фотоэлементы с массивным непрозрачным фотокатодом, нанесенным на дно стеклянной колбы (баллона) (Рис.1.а) - это приборы, являющиеся приемниками постоянных или модулированных низкой частотой (f<20 кГц) световых потоков и используемые в контрольно-измерительной аппаратуре, в автоматике, аппаратуре звуковоспроизведения. Имеют рабочее напряжение <240 В. 2 Рис.1 )фотоэлементы с массивным небольшим катодом, нанесенным или на дно баллона, или на специальную металлическую пластину (Рис.1.б) - это приборы, предназначенные для приема сфокусированного излучения малой интенсивности, в которых для уменьшения токов утечки выводы катода и анода сделаны с противоположных сторон баллона. Имеют рабочее напряжение <100 В.3) импульсные сильноточные элементы с фотокатодом на металлической подложке (Рис.1.в), имеющие малое продольное сопротивление, малую инерционность (~ 10-3 с), линейную энергетическую характеристику и большую эмиссионную способность, достигающую 100 А при длительности импульса до 10-9 с. Имеют рабочее напряжение от 100В до 2,0 кВ. Для уменьшения токов утечки в баллон часто вваривают специальные охранные кольца ОК (см. Рис.1.б). При конструировании импульсных фотоэлементов стремятся уменьшить влияние времени пролета фотоэлектронов между катодом и анодом, междуэлектродные емкости, сопротивления и индуктивности выводов, поэтому выводы катодов делают короткими, а выводы анодов часто выполняют в виде кольца, применяют коаксиальные выводы. studfiles.net Принцип действия фотоэлементовПринцип действия фотоэлементов с внутренним фотоэффектом заключается в способности некоторых полупроводников изменять свое сопротивление под действием светового потока. Если к концам такого фотоэлемента приложить напряжение, то величина тока в замкнутом контуре будет зависеть от освещенности полупроводника.Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом имеют большую чувствительность в инфракрасной части. К недостаткам этих фотоэлементов следует отнести нелинейность световой характеристики, изменение некоторых параметров от температуры и значительную инерционность.Фотоэлементы с запирающим слоем, или вентильные, представляют собой полупроводниковые выпрямители, но такой конструкции, при которой полупроводниковый слой может освещаться. К таким фотоэлементам относятся меднозакисные, селеновые и серноталиевые. При освещении фотоэлемента между электродом и полупроводником появляется э. д. с, которая создает ток во внешней цепи. Возможность использования этих фотоэлементов без внешнего источника тока является их основным преимуществом; недостатком — зависимость тока от температуры.В качестве примера приведем описание применяемого в металлургической промышленности фотореле типа ФЭА-10, принципиальная схема которого. В фотореле использованы два каскада усиления; первый вместе с фотоэлементом устанавливается по ходу технологического процесса у механизма, а второй выносится в машинное помещение или в помещение контакторных панелей. Выходной каскад состоит из усилительной электронной лампы 6ПЗ или тиратрона типа ТГ-213 (может быть использована электронная лампа или тиратрон).Принцип действия фотореле следующий. Если фотоэлемент не освещен, то на сетку электронной лампы первого каскада 6Ф5 подается отрицательное напряжение и через нее проходит небольшой ток. При освещении фотоэлемента на сетку лампы 6Ф5 подается положительный потенциал, вследствие чего увеличивается проходящий через нее электрический ток. Похожие статьиadvone.net Управление питанием от одиночного фотоэлемента9 декабря Чтобы упростить внедрение средств измерения, мониторинга и контроля в беспроводные сети, разработчики используют источники питания, независимые от электросетей. Очевидно, что батареи не обеспечивают такой независимости, т.к. требуют замены или подзарядки, т.е. периодического подключения к сети электропитания и дорогостоящего технического обслуживания. Хорошей альтернативой батарейному питанию являются системы сбора энергии из окружающей среды, которые устраняют необходимость в подключении к электросети и практически не нуждаются в обслуживании.И сточниками внешней энергии, которую можно аккумулировать, является электрическая энергия, механические вибрации, разность температур и свет. Компания Linear Technology поставляет решения по управлению питанием, которые позволяют решать задачи, специфичные для приложений по аккумуляции энергии. К этим решениям относится LTC 3588 для работы с источниками вибраций, LTC3108/LTC3109 — для источников тепловой энергии и LTC3105 — для фотоэлектрических систем. Фотоэлектрические системы нашли широкое применение благодаря повсеместному распространению света. Их стоимость относительно невелика, и они генерируют достаточно большое количество энергии по сравнению с другими решениями по аккумуляции энергии из внешней среды. Благодаря относительно высокой выходной мощности фотоэлектрические установки используются для питания беспроводных датчиковых сетей и как зарядные устройства, которые позволяют увеличить срок службы батарей. Если высоковольтные батареи последовательно соединенных фотоэлементов нашли широкое применение, решения на основе одного фотоэлектрического элемента по-прежнему редки из-за сложностей, связанных с поддержанием на шине питания стабильного напряжения при очень низком напряжении, которое фотоэлемент создает под нагрузкой. Выпускается лишь несколько повышающих преобразователей, способных работать при таком низком напряжении и высоком импедансе фотоэлектрического элемента, однако с этой целью применяется специально разработанная микросхема LTC3105. Благодаря очень низкому напряжению запуска величиной 250 мВ и программируемому управлению максимальной величиной мощности LTC3105 устанавливает типовое напряжение в диапазоне 1,8–5 В, пригодное для питания большинства приложений. Эквивалентная схема фотоэлектрического источника питания в первом приближении представлена на рисунке 1. Более сложные модели, учитывающие вторичные эффекты, в этой публикации не рассматриваются.
Фотоэлемент характеризуют два стандартных параметра — напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Типичные кривые тока и напряжения фотоэлемента представлены на рисунке 2. Следует заметить, что ток короткого замыкания представляет собой ток генератора (см. рис. 1), а напряжение холостого хода — прямое напряжение диода. При увеличении светового потока ток от генератора увеличивается, и вольтамперные кривые располагаются выше по оси y.
Для извлечения максимальной мощности от фотоэлемента входное напряжение преобразователя мощности следует согласовать с выходным сопротивлением элемента. На рисунке 3 показана кривая мощности для типичного одноэлементного преобразователя. Для извлечения максимальной энергии выходное напряжение фотоэлемента должно соответствовать пиковой мощности. LTC3105 подстраивает поступающий на нагрузку выходной ток таким образом, чтобы поддержать напряжение фотоэлемента на уровне, установленном на управляющем выводе. Таким образом, с помощью одного программирующего резистора задается максимальное значение мощности, обеспечивается ее максимальное извлечение и поступление наибольшего зарядного тока в батарею. Величина генерируемой фотоэлементом мощности зависит от ряда факторов. Выходная мощность пропорциональна освещенности, площади фотоэлемента и эффективности. Большинство фотоэлементов рассчитано на использование в условиях, когда солнечный свет попадает на поверхность под прямым углом (1000 Вт/м2), однако такие идеальные условия на практике встречаются редко. Максимальная выходная мощность устройств за несколько дней может измениться в 10 раз, что определяется климатическими и сезонными условиями, а также воздействием пыли или изменением угла падения солнечных лучей. Типичное значение выходной мощности кристаллического фотоэлемента в условиях максимального светового потока составляет около 40 мВт/кв. дюйм. Следует заметить, что фотоэлемента площадью в несколько квадратных дюймов достаточно для питания многих датчиков и подзарядки батареи. В то же время устройства, генерирующие энергию под воздействием искусственного освещения, например, в домах или офисах, вырабатывают в несколько раз меньшую энергию. Даже кристаллический фотоэлемент с высоким КПД и площадью 4 кв. дюйма генерирует не больше 860 мкВт в условиях офисного освещения. На рисунке 4 показан механизм управления максимальным значением мощности, который реализован в LTC3105. Поскольку спад кривой мощности фотоэлемента (см. рис. 3) после пика намного круче, чем ее нарастание, лучше ошибиться в сторону меньших напряжений, чем оказаться в области правее пика. При установке рабочей точки на управляющем выводе MPPC (maximum power point control) нельзя забывать о том, что внешние условия эксплуатации фотоэлемента меняется. Как правило, значение максимальной мощности существенно не меняется при изменении освещения, что позволяет установить единственную величину управляющего напряжения в широком диапазоне освещенности. Даже если рабочая точка при максимальной освещенности не вполне совпадает с пиковым значением, выходная мощность отличается от идеального значения в пределах лишь 5–10%. Для кривой мощности рисунка 5 выбор напряжения на выводе MPPC равным 0,4 В позволяет работать вблизи точки максимальной мощности при любой интенсивности света. Отклонение напряжения от рабочей точки на 20 мВ в обе стороны приводит к потере мощности менее чем на 3%.
Как правило, управляющее напряжение точки максимальной мощности выбирается равным в диапазоне 75–80% от напряжения холостого хода фотоэлемента. В результате его выходной ток составляет 75–80% от тока короткого замыкания. Приложения, питающиеся от фотоэлектрических источников света, испытывают нехватку энергии в условиях темноты или слабой освещенности. В большинстве случаев эта проблема решается с помощью накопителей энергии — суперконденсаторов или перезаряжаемых батарей достаточно большой емкости. На рисунке 6 представлены результаты измерения тока поликристаллического фотоэлемента площадью 50×25 мм, который заряжает литиево-ионную батарею при использовании схемы LTC3105 (см. рис. 7). Верхняя кривая тока зарядки соответствует яркому солнечному дню, тогда как кривая ниже наблюдается в пасмурные дни. Даже в условиях низкой освещенности ток зарядки превышал 250 мкА, благодаря чему суммарный заряд аккумулятора составил 6 мА∙ч.
Для хранения собранной энергии используются перезаряжаемые батареи и конденсаторы с высокой плотностью энергии. Ни одна из этих технологий не оптимальна для всех приложений. При выборе устройства хранения следует учитывать ряд факторов, в т.ч. скорость саморазряда, максимальные токи заряда и разряда, чувствительность к напряжению и срок службы. Скорость саморазряда имеет особенное значение в фотоэлектрических системах. В условиях ограниченного в большинстве случаев зарядного тока высокая скорость саморазряда может стать причиной потребления большого количества энергии от фотоэлектрической установки. Ток саморазряда некоторых элементов, используемых для хранения энергии, например суперконденсаторов, может превышать 100 мкА, что значительно снижает заряд, накопленный за весь день. Другой важной характеристикой устройства для хранения энергии является ток, которым его можно зарядить. Например, при использовании дискового литиевого аккумулятора с максимально допустимым зарядным током в 300 мкА между аккумулятором и выходом LTC3105 требуется установить резистор с большим сопротивлением во избежание перегрузок по току. В результате количество запасенной энергии, доступной для приложения, уменьшается. Во многих случаях величина зарядного тока непосредственно определяет срок службы устройства для хранения энергии, т.е. время, в течение которого оно функционирует в полевых условиях без обслуживания. Как правило, с увеличением токов заряда и разряда срок службы элемента сокращается. Суперконденсаторы допускают большое количество циклов перезаряда, тогда как батареи, заряжаемые относительно высоким током, характеризуются меньшим сроком службы. Помимо зарядных токов на срок службы оказывает влияние глубина цикла разряда и заряда — чем она больше, тем меньше время жизни устройства для хранения энергии. Для некоторых типов батарей, в первую очередь, литиевых и тонкопленочных, требуется точный контроль максимального и минимального напряжений. Максимальное напряжение хорошо отслеживается с помощью преобразователя LTC3105, который прекращает заряд, когда на ее выходе начинается процесс регулирования. Для предотвращения чрезмерного разряда батареи LTC3105 используется в паре с шунтовым регулятором заряда LTC4071 (см. рис. 8).
Преобразователь LTC3105 является законченным однокристальным решением, которое применяется для сбора энергии от недорогих одиночных фотоэлементов. Эта ИС имеет схему контроля точки максимальной мощности и запускается при низком напряжении, что обеспечивает оптимальное извлечение энергии. Преобразователь LTC3105 может применяться не только для питания схем напрямую, но и для зарядки устройств хранения энергии (см. рис. 9) для поддержания работоспособности приложений в темноте или в условиях недостаточной освещенности. Эти ИС позволяют создавать полностью автономные удаленные датчиковые узлы (см. рис. 10), системы сбора данных и другие приложения, не нуждающиеся в подключении к энергосети и требующие минимального обслуживания.
Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь. www.russianelectronics.ru Солнечные батареи. / Альтернативная энергетика / it works! Мы часто пишем про различные виды альтернативной энергетики, в том числе про солнечную. Этой статьей начинается цикл статей про принципы работы различных устройств работающих на возобновляемой энергии. И первое что будет рассмотрено — солнечные батареи. Солнечная энергия в последнее время используется повсюду: в естественном освещении помещений, нагрева воды, сушки и иногда даже в приготовлении пищи. Однако самым важным использованием энергии солнца является, пожалуй, генерация электричества. И главный элемент такой генерации — солнечная батарея! Строение солнечных батарей Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой. Принцип работыПринцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы. Строение фотоэлемента Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость). Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» — атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются. На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света. Физический механизм действияКогда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает). Из чего делают фотоэлементы?  Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты — около 1% КПД.
Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станцией, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии. Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) — второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема — его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы. Солнечные батареи (Сборки) Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент. Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт, W). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м2, температуре окружающей среды 25 oC, солнечном спектре шириной 45o(АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов). Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно — ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом. itw66.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
