Як працює сонячна батарея принцип дії фотоелемента
Принцип дії
Головне - не плутати фотобатареї з сонячними колекторами (і ті, і інші часто називають «сонячними панелями»). Якщо принцип дії колекторів заснований на нагріванні теплоносія, то фотоячейкі виробляють безпосередньо електрику. В основі їх роботи - фотоелектричний ефект, що полягає в генерації струму під впливом сонячних променів в напівпровідникових матеріалах.
Напівпровідниками ж називають речовини, атоми яких або містять надмірну кількість електронів (n-тип), або навпаки, відчувають їх недолік (p-тип). А ті області структури p-елементів, де потенційно могли б перебувати електрони, отримали назву «дірок». Відповідно, фотоелемент на основі напівпровідників складається з двох шарів з різними типами провідності.
Як працюють сонячні батареї з такою структурою? Наступним чином. Внутрішній шар елемента виконується з p-напівпровідника, зовнішній, набагато більш тонкий, - з n-напівпровідника. На кордоні шарів виникає так звана «зона p-n переходу», що утворилася за рахунок формування об'ємних позитивних зарядів в n-шарі і негативних - в p-шарі.
При цьому в зоні переходу виникає певний енергетичний бар'єр, викликаний різницею потенціалів зарядів. Він перешкоджає проникненню основних носіїв електрозарядов, але вільно пропускає неосновні, причому в протилежних напрямках. Під дією ж сонячного світла частина фотонів поглинається поверхнею елемента і генерує додаткові «доречний-електронні» пари. Тобто електрони і дірки переміщаються з одного напівпровідника в інший, передаючи їм додатковий негативний або позитивний заряд. При цьому первісна різниця потенціалів між n- і p-шаром знижується, а у зовнішній ланцюга генерується електрострум.
особливості структури
Багато сучасних фотоячейкі мають тільки один p-n перехід. При цьому вільно переходять носії заряду генеруються лише тими фотонами, енергія яких або більше, або дорівнює ширині «забороненої зони» на межі переходу. Це означає, що фотони з меншим запасом енергії просто не використовуються, що в свою чергу помітно знижує ефективність осередки. Для подолання цього обмеження були створені багатошарові (частіше - чотирьохшарові) фотоструктури.
Вони дозволяють використовувати значно більшу частину сонячного спектра і мають більш високою продуктивністю. Причому у своєму розпорядженні фотоелементи таким чином, щоб промені потрапляли спочатку на перехід з найширшою забороненою зоною. При цьому поглинаються більш «енергоємні» фотони, фотони ж з меншим запасом енергії проходять глибше і стимулюють інші елементи.
А які бувають сонячні батареї?
Сонячні елементи, принцип роботи яких заснований на фотоефекті, створюються вже давно. Головні труднощі при їх виробництві полягає в підборі матеріалів, здатних генерувати досить потужний струм. Перші досліди проводилися з селеновими осередками, але їх ефективність була вкрай мала (близько 1%). Зараз в фотоелементах використовується в основному кремній, продуктивність таких пристроїв становить близько 22%. Крім того, постійно розробляються нові зразки осередків (наприклад, з використанням арсеніду галію або індію), що мають більш високий ККД. Максимальна ж ефективність сонячних батарей на сьогоднішній день становить 44,7%.
Але такі елементи дуже дорогі і поки що виробляються тільки в лабораторних умовах. Широке ж поширення набули осередки на базі монокристалічного або полікристалічного кремнію, а також тонкоплівкові елементи. Фотобатареї на монокристалах коштують дорожче, але мають велику продуктивність, полікрісталли ж дешевші, але через неоднорідну структуру менш ефективні. При виробництві ж тонкоплівкових осередків застосовуються не кристали, а напилені на гнучку підкладку кремнієві шари.