Принцип работы и устройство солнечной батареи. Устройство солнечного элементаСолнечные батареи. Виды и устройство. Работа. ПрименениеВ последнее время активно развиваются технологии получения альтернативной энергии. Это солнечные батареи (СБ), ветровые станции и ряд иных устройств. Особенно перспективными считаются СБ или так называемые фотоэлектрические панели, ведь с учетом почти вечной жизни солнца такая энергия является неисчерпаемой. Несмотря на их пока что сравнительно высокую стоимость, они обеспечивают получение бесплатной и экологически чистой энергии. Тем не менее, цены на СБ год из года снижаются, что свидетельствует о больших перспективах их повсеместного внедрения. Устройство солнечных батарейСолнечная батарея представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта. 1 — Контроллер2 — Батарея3 — Инвертор4 — Модуль5 — Электрооборудование Солнечная батарея включает в себя следующие элементы:• Материал-полупроводник, состоящий из двух слоев материалов с различной проводимостью. К примеру, это может быть поликристаллический или монокристаллический кремний с включением иных химических соединений для создания принципа фотоэффекта p-n перехода. То есть, один материал имеет недостаток электронов, а другой – их избыток.• Диэлектрик, тончайший слой элемента, который противостоит переходу электронов.• Источник электропитания. При его подключении к противостоящему слою, запорная зона легко преодолевается электронами. В результате появляется упорядоченное движение зараженных частиц, то есть электрический ток.• Аккумулятор. Обеспечивает накопление и сохранение энергии.• Штатный контроллер заряда.• Инвертор-преобразователь. Производит преобразование постоянного тока, идущего от солнечной батареи, в п electrosam.ru Устройство солнечной батареи | Читать ещё статьи...Опубликовано 19 Март 2014Понимание принципов работы солнечных панелей крайне важно при проектировании и эксплуатации электростанций. В этой статье мы изложим некоторые физические основы работы солнечных ячеек, а также особенности конструкции солнечных батарей. Устройство солнечной батареиРассмотрим устройство солнечной батареи. Фотоэлектрическая ячейка является полупроводниковой гетероструктурой, имеющей один p-n переход, который возникает на границе раздела двух полупроводниковых пластин p и n типа, соответственно, с «дырочной» и электронной проводимостью. На переднюю и заднюю поверхность ячейки нанесены электрические контакты. При падении света на солнечный элемент фотоны «выбивают» электроны из кристаллической решетки, образуя таким образом электронно- дырочную пару. Далее носители заряда свободно движутся под действием электрического поля p-n перехода. Таким образом, на обкладках солнечной ячейки появляется электро-движущая сила (ЭДС). Простейшая эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки выглядит следующим образом: Рис.1 Эквивалентная схема солнечной ячейки. Здесь Rп – последовательное сопротивление солнечного элемента, Rш – шунтовое сопротивление солнечного элемента. Мощность всей солнечной батареи складывается из мощности входящих в нее солнечных элементов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Введем обозначения: I – максимальный ток отдельного элемента, U – напряжение отдельного элемента, Nпс – число последовательно соединенных элементов, Nпр – число параллельно соединенных элементов, Iб – максимальный ток солнечной батареи, Uб – напряжение солнечной батареи. При последовательном соединении солнечных ячеек имеем: Uб=U* Nпс, Iб=I. Рис.2 Последовательное соединение солнечных элементов. При параллельном соединении: Uб=U, Iб=I* Nпр Руководствуясь данным принципом можно рассчитать максимальный ток и напряжение для любой системы солнечных элементов Приведем пример. Ячейки соединены в три каскада по 2 штуки, как показано на Рис.4 Рис.4 Схема соединения солнечных ячеек в три каскада. Для данной системы имеем: Uб=2U, Iб=3I. Роль диодов в схеме солнечной панелиКак правило, в солнечной батареи все элементы соединены последовательно, вследствие чего возникает так называемая проблема «темного пятна». Рассмотрим солнечные панели, состоящие из большого числа элементов, соединенных последовательно. К батарее подключена нагрузка Rн. (Рис. 5) Рис. 5 Схема солнечной панели из большого числа элементов и под нагрузкой Предположим, один из солнечных элементов затенен. Сопротивление затененной ячейки намного больше сопротивления нагрузки, следовательно, на ней выделится почти вся энергия солнечной батареи, вследствие чего ячейка может перегреться и выйти из строя. Для борьбы с таким явлением параллельно каждой ячейке нужно включить шунтирующий диод Rш, как показано на Рис. 6. Рис. 6 Схема солнечной батареи с шунтирующими диодами. В результате, когда солнечный элемент освещен, шунтирующий диод находится под прямым напряжением смещения самого солнечного элемента и ток не пропускает. Когда элемент затенен, то есть его напряжение меньше падения напряжения на нем при протекании тока, создаваемого остальными ячейками в цепи, шунтирующий диод «открыт» обратным напряжением смещения. В реальной жизни диодами шунтируется не каждый солнечный элемент (это слишком сложно и дорого), а группы элементов в солнечной батарее. Например, батарея из 72 ячеек 125*125мм, обычно имеет в своем составе три шунтирующих диода. В рамках данной статье, мы затронули основные физические принципы работы солнечных фотоэлектрических систем. Более подробно тема изложена в монографии Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: пер. с англ. – М.: энергоатомиздат, 1983. Е.А. Коблучко Вам также могут быть интересны другие статьи.. Устройство солнечной батареиЧто такое мобильные солнечные системы?Особенности и виды солнечных электростанцийВернуться к списку статей...www.helios-house.ru Устройство Солнечной Батареи - строительствоУстройство Солнечной Батареи. Солнечные Элементы. Тема — Устройство Солнечной Батареи. Солнечные Элементы.
Принцип действия солнечных элементов заключается в явлении внутреннего фотоэффекта. Данный фотоэффект был исследован впервые в 1839 году Эдмоном Беккерелем. Непосредственное устройство большинства солнечных батарей (обычного фотоэлемента) и работа следующие: есть простой полупроводник, то есть — 2 слоя различной проводимости приложенные друг к другу. Эти слои сделаны обычно из кремния с примесями. Примеси определённых химических веществ позволяют в результате получить материалы с необходимыми свойствами, а именно — первый слой обладает избытком валентных электронов, вторая — их недостатком. Вместе они образуют слои «p» и «n». На промежутке соприкосновения наших пластин появляется некоторая зона с запирающими свойствами. Данная запирающая зона способна противодействовать переходу электрических заряженных частиц (электронов) из слоя «n» в слой «p», благодаря своим электрическим полям, где этих электронов недостаток (да, кстати, места с отсутствующими электронами обозначаются как дырки). При подключении к данному полупроводнику (соединенных двух слоёв) внешнего источника электропитания (плюс к «p» слою, а минус к «n» слою) происходит следующее — под действием внешнего электрического поля электроны с лёгкостью будут преодолевать запирающую зону и свободно переходить на противоположный электрический полюс, что и порождает в итоге электрический ток. Похожие процессы совершаются и при попадании на наш полупроводник солнечного светового потока. И так, фотон (мельчайшая частица света) испускается солнцем и, пройдя огромный путь, попадает на слои «n» и «p». Этот фотон обладает некоторой энергией, которую передаёт при столкновении электронам (те электроны, что располагаются дальше всего от центра атома, то есть, внешние электроны). В результате происходит выбивание электронов из атома (на месте ушедшего электрона образуется пустое место, что образует так называемую дырку). Выбитые фотоном электроны с дополнительной энергией могут с преодолевать запирающий слой. Переходу отрицательных заряженных частиц (электронов) их слоя «p» в слой «n», и дырок, из слоя «n» в слой «p», вдобавок помогают имеющиеся электрические поля (отрицательных зарядов, которые располагаются вблизи запирающей зоне «p» проводника и положительных — в зоне «n»), что как бы притягивают к себе электроны и дырки. В результате зона «n» обретает лишний отрицательный заряд, ну, а зона «p» – положительный заряд. В итоге будет возникать небольшое напряжение (разность потенциалов) между 2-мя слоями (равное 0.5 В). Сила самого тока в солнечном элементе изменяется прямо пропорционально общему количеству попавших фотонов на поверхность фотоэлемента. Следует учесть, что величина электрического тока ещё зависит и от различных других факторов — это, в первую очередь, интенсивность самого излучения, общая площадь элемента, угол попадания светового потока на элемент, продолжительностью эксплуатации батареи, коэффициент полезного действия фотоэлементов, который ещё зависит и от температуры окружающей среды (при увеличении температуры, внутреннее сопротивление фотоэлемента значительно увеличивается). Из вышесказанного можно сделать такие выводы: солнечные элементы (батареи, фотоэлементы) не могут генерировать слишком большие электрические мощности (при условии малых площадей для своей эксплуатации), они также не способны работать в постоянном режиме (по причине естественной смены ночи и дня), для стабильной выдачи постоянных значений электрического тока и напряжения возникает необходимость использования сторонних систем (аккумуляторы, стабилизаторы и т.д.). Но в роле второстепенного (дополнительного) электрического источника они пригодны. Солнечные элементы хорошо могут применяться в тех случаях, когда требуются не слишком большие электрические мощности и отсутствует возможность подключения к основной электросети. Узнал что-то Новое?Поставь Свой Плюс» Рекомендуем ознакомится: http://electrikpro.ru fix-builder.ru Принцип работы и устройство солнечной батареиПринцип работы и устройство солнечной батареиВ профессиональных кругах панели, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, называют фотоэлектрическими преобразователями, которые в разговорной речи или при написании понятных для широких масс статей принято называть солнечными батареями. Принцип работы этих устройств, первые рабочие экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи. Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями. Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё. В структуре солнечной батареи используется p-n переход и пара электродов для снятия выходного напряжения На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода. Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПДСчитается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.sun-battery.biz он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает. Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно. Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарейЧистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур. Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системыВ современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям. Солнечная система представляет собой совокупность солнечной батареи и аккумулятора Для увеличения мощности, выходного напряжения и тока на основе солнечных батарей создаются панели, где отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно. www.sun-battery.biz Солнечный элемент ВикипедияСолнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя. Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — Солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий. ИсторияПервые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном. 25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 года, в США был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Авангард-1». 15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3». ИспользованиеПортативная электроникаЗарядное устройствоДля обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п. ЭлектромобилиНа крыше автомобиля Prius, 2008Для подзарядки электромобилей. АвиацияОдним из проектов по созданию самолета, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse. Энергообеспечение зданийСолнечная батарея на крыше домаСолнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов. Новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование[1]. В настоящее время переход на солнечные батареи вызывает много критики среди людей. Это обусловлено повышением цен на электроэнергию, загромождением природного ландшафта. Противники перехода на солнечные батареи критикуют такой переход, так как владельцы домов и земельных участков, на которых установлены солнечные батареи и ветровые электростанции, получают субсидии от государства, а обычные квартиросъемщики — нет. В связи с этим Федеральное министерство экономики Германии разработало законопроект который позволит в ближайшем будущем ввести льготы для арендаторов, проживающих в домах, которые обеспечиваются энергией, поступающей от фотовольтаических установок или блочных тепловых электростанций. Наряду с выплатой субсидий владельцам домов, которые используют альтернативные источники энергии, планируется выплачивать дотации проживающим в этих домах квартиросъемщикам.[2] Энергообеспечение населённых пунктовСолнечно-ветровая энергоустановкаДорожное покрытиеВ 2014 году в Нидерландах открылась первая в мире велодорожка из солнечных батарей. В 2016 году министр экологии и энергетики Франции Сеголен Руаяль заявила о планах построить 1000 км автодорог со встроенными ударо- и термостойкими солнечными панелями. Предполагается, что 1 км такой дороги сможет обеспечивать электроэнергетические потребности 5000 людей (без учета отопления)[3] [неавторитетный источник? 805 дней] . В феврале 2017 года в нормандской деревне французским правительством была открыта дорога из солнечных батарей. Километровый участок дороги оборудован 2880 солнечными панелями. Такое дорожное покрытие обеспечит электроэнергией уличные фонари деревни Tourouvre-au-Perche. Панели каждый год будут вырабатывать 280 мегаватт час электроэнергии. Строительство отрезка дороги обошлось в 5 миллионов евро.[4] Использование в космосеСолнечная батарея на МКССолнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии. Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз). Использование в медицинеЮжнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство[5]. Эффективность фотоэлементов и модулейМощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт[6] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D[7][8]). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может[9] быть менее 100 Вт/м²[источник не указан 1058 дней]. С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %[источник не указан 1058 дней]. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях[10][неавторитетный источник? 805 дней]. В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %[11]. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %[12]. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд[13]. В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния[14]. В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %[15], а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % [16][неавторитетный источник? 805 дней]. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %[17][неавторитетный источник? 805 дней][18]. В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца[19]. Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200—300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 %[20][21]. Также, в 2018 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов[22]., а так же засчёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов[23].
Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементовОсобенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры. Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используются линзы для концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы. Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей. Недостатки солнечной электроэнергетики
Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек. Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость нелинейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут сся с задачей охлаждения солнечных батарей[26]. Производство солнечных модулейОчень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована[27]. Пятерка крупнейших производителейКрупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2016 году.[28]
См. такжеПримечания
Ссылкиwikiredia.ru Основные параметры солнечного элементаТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ Спектральная чувствительность солнечного элемента определяет диапазон значений длин волн оптического излучения, в котором практически возможно использовать данный фотоэлемент. Ток короткого замыкания 1к з (см. рис. 2.8) соответствует максимальному току, который может протекать через фотоэлемент под освещением, когда он замкнут сам на себя (R = 0). Если принять U = 0, то из выражения (2.18) определяем величину тока короткого замыкания Ік. з = - 1ф. (2.20) Таким образом, ток короткого замыкания равен фотогенерируемому солнечным элементом току. Напряжение холостого хода солнечного элемента Ux. х (см. рис. 2.8) соответствует напряжению на разомкнутых клеммах фотоэлемента (R = да). Оно может быть получено, если принять в уравнении (2.18) I = 0 ТТ kT. Uх. х = ln e Из выражения (2.21) следует, что их х может быть повышено за счет увеличения отношения Іф/І5 Этого можно добиться, снижая темновой ток либо в результате увеличения уровня легирования подложки (см. уравнение (2.17)), либо увеличения времени жизни неосновных носителей. Увеличение тока короткого замыкания (см. уравнение (2.20)) также может привести к повышению напряжения холостого хода, однако эффект не так заметен, как в случае уменьшения темнового тока. На практике увеличения их. х добиваются за счет создания поля на обратной стороне пластины в результате введения р+-слоя и формирования структуры p-p+. Подобная структура не только обеспечивает отражение неосновных носителей назад в область p-n-перехода, но также уменьшает контактное сопротивление тыльного электрода. В результате все основные параметры солнечногоэлемента — 1к. з, Ux. х, фактор формы, КПД улучшаются. Напряжение холостого хода для кремниевых солнечных батарей с ^-«-переходом находится в диапазоне от 0,5 до 0,7 В в зависимости от конструкции солнечного элемента, уровня легирования и т. д. С учетом выражения (2.19) получаем При большом уровне освещения, когда 1ф/^ >> 1, имеем При малом уровне освещения, когда Іф/Is << 1, используем разложение в ряд Тейлора Pysi и hvL Таким образом, при малом уровне возбуждения напряжение холостого хода пропорционально интенсивности света. Максимальная вырабатываемая солнечным элементом выходная мощность обозначена на рис. 2.8 точкой Pm (Pm = ImUm, где Im, Um — соответствующие максимальной вырабатываемой мощности значения тока и напряжения). Выходная мощность равна P = IU = IsU(e4U/kT - 1) - ^U. Условие максимума выходной мощности можно найти, при dP/dU = 0. Отсюда получаем
Величина Em соответствует максимальной энергии, выделяемой в нагрузке при поглощении одного фотона с условием оптимального согласования фотоэлемента с внешней цепью. Поскольку величина Em зависит от Is, она зависит от параметров материала (например т, D, уровень легирования). Идеальная эффективность преобразования реализуется при оптимальном выборе параметров материала, когда величина Is минимальна. Важным параметром, характеризующим качество солнечных элементов, является коэффициент формы, или коэффициент заполнения вольтамперной характеристики k: UmIm их. хІк. з Отсюда Pm = U хІк. з. Из уравнения (2.23) следует, что коэффициент формы указывает, насколько реальная ВАХ солнечного фотоэлемента отличается от идеальной, которая представляет собой прямоугольную ступеньку с напряжением их х и током Ік з. Коэффициент формы для кремниевых солнечных батарей с p-n-пере- ходом находится в диапазоне 0,75...0,85, для СБ на основе GaAs — в диапазоне 0,79...0,87. В СЭ электронно-дырочные пары могут быть генерированы солнечным излучением как в n-, так и в p-области, в зависимости от того, на какой глубине произошло поглощение фотонов с данной энергией. Электрическое поле вблизи p-n-перехода осуществляет разделение носителей заряда и сбор электронов в n-области, а дырок — в p-области. Однако часть неосновных носителей тока может быть потеряна в результате рекомбинации. Эффективность процесса собирания фотогенерированных носителей оценивается с помощью коэффициента собирания носителей заряда Q. Коэффициент собирания носителей заряда равен отношению количества электронно-дырочных пар, разделенных полем p-n-перехода, к общему количеству генерированных светом электронно-дырочных пар Q j ЧФ0 23 где Фо — плотность потока фотонов, падающих на поверхность элемента. Величина Q сильно зависит от коэффициента поглощения, т. е. от длины волны излучения [17]. Идеальная спектральная зависимость коэффициента собирания носителей заряда для полупроводника с шириной запрещенной зоны Eg представляет собой ступеньку: он равен 0 при hv < Eg и равен 1 при hv > Eg (рис. 2.18). Реальная спектральная характеристика имеет вид кривой с максимумом. Максимальное значение Q для обычных преобразователей близко к единице и для кремния соответствует области X — 0,8-0,9 мкм, а для GaAs X — 0,7-0,8 мкм. При достаточно больших длинах волн коэффициент поглощения уменьшается и при а^-0 величина Q также стремится к нулю, поскольку Q ~ а. На границе собственного поглощения спектральная чувствительность и коэффициент собирания обращаются в нуль. Для кремния край собственного поглощения находится при X = 1,1 мкм, для GaAs — при X = 0,9 мкм [18]. Наконец, эффективность преобразования солнечного элемента (или КПД) равна отношению максимальной выходной мощности к мощности падающего излучения Ризл: Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) — активированный плазмой ВЧ разряда химический процесс, наиболее распространенный для получения пленок аморфного и микрокристаллического кремния, используемых в технологии фирмы «Oerlikon Solar». В плазме происходит … В настоящее время солнечная энергетика является одним из наиболее перспективных видов возобновляемой энергетики. Основным устройством, используемым для прямого преобразования энергии солнечного света в электроэнергию, является солнечный модуль (СМ). Широкое применение … msd.com.ua Cолнечные батареи: устройство и принцип действияПреобразование солнечной эренгии в полупроводниковых солнечных елементах происходит следующим образом: Солнечный свет, попадая в полупроводник, приводит к генерации електрон-дырочных пар, которые в последствии разделяются встроенным полем меджу эмиттером и базой элемента (p-n переходом), создавая таким образом разность потенциалов на полюсах елемента. При подключении к полюсам елемента нагрузки - течет электрический ток.На сайте www.pveducation.org имеется анимация, которая достаточно наглядно отображает процесс преобразования солнечной энергии в электрическую. Вот она: На анимации происходит следующее: квант света, попадая в полупроводник солнечного елемента, приводит к генерации електрон-дырочной пары. В данном случае это происходит в области эмиттера (n-тип), так електрон (обозначено как красный шарик) принимает участие в выполнении полезной работы в нагрузке, а дырка (обозначено как синий шарик) движется к базовому (р-тип) контакту вниз до встречи с електроном. После этого происходит рекомбинация встретившихся електрона и дырки (они нейтрализируют друг друга). cellstester.narod.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Солнечные элементы (или фотоэлементы) являются устройствами, что имеют способность преобразовывать солнечное излучение (электромагнитное излучение), непосредственно, в электричество, а точнее в электрический ток электронов. Объединение нескольких фотоэлементов (преобразователей фотоэлектрических) образовывают солнечную батарею. Она имеет возможность производить определённую величину электрического тока и напряжения.
