Солнечный элемент

Солнечный элемент (фотоэлемент, фотоэлектрический преобразователь – ФЭП) – это полупроводниковый прибор, который служит для преобразования световой энергии в электрическую. В основе этого преобразования лежит явление фотоэффекта. На заметку: стальные радиаторы отопления Kermi, качество и надежность.
Принцип работы современных фотоэлементов базируется на полупроводниковом pn переходе. При поглиннанни фотона в области, прилегающей к pn перехода, создается пара носителей заряда: электрон и дырка. Одна из этих частиц является неосновным зарядом и с большой вероятностью проникает сквозь переход. В результате созданы благодаря поглощению энергии фотона заряды разделяются в пространстве и не могут рекомбинировать. Как следствие нарушается равновесие плотности зарядов. При подключены элемента к внешней нагрузки в цепи протекает ток.
Говорят о напряжении холостого хода и ток короткого замыкания. Напряжение холостого хода (V vo) – максимальное напряжение (внешняя нагрузка бесконечное), которую может генерировать элемент. А ток короткого замыкания (I sc), это максимальный ток (когда внешняя нагрузка равна нулю), который может генерировать элемент. В рабочем режиме напряжение и ток являются меньшими, и при определенных значениях (V max и I max) элемент имеет максимальную мощность (P max).
Основные необратимые потери энергии в фотоэлементах связанные с:
Солнечные элементы служат для электроснабжения в отдаленных районах Земли или на орбитальных станциях, где невозможно использовать электросеть, а также для питания калькуляторов, радиотелефонов, зарядных устройств, насосов.
В августе 2009 г. ученые Университета Нового Южного Уэльса достигли рекордной эффективности солнечных батарей – 43% (т.е. 43% солнечной энергии превращается в электрическую). Однако новый рекорд был установлен в лабораторных условиях. Так, свет перед попаданием на батареи было сфокусировано специальными линзами. Кроме того, стоимость всего оборудования далека от значений, которые позволили бы производить ее в промышленных масштабах. Рекорд для одной солнечной батареи в реальных условиях составляет примерно 25%.
Фотоэлементы изготавливают из различных полупроводниковых материалов. Процесс изготовления фотоэлемента близок к процессам изготовления других полупроводниковых приборов, например чипов.
Монокристаллические фотоэлементы наиболее сложные и дорогие поскольку для их изготовления требуется кристаллический кремний, однако имеют наибольшую эффективность (14% -20% преобразования света в электрическую энергию).
Поликристаллические или мультикристалични фотоэлементы дешевле чем монокристаллические, однако менее эффективны.
Тонкопленочные фотоэлементы используют тонкие пленки изготавливаемые из расплавленного кремния. Такие фотоэлементы наименее эффективны.
В космических аппаратах используются также многопереходных солнечные элементы или гетерофотоелементы. Такой элемент состоит из нескольких pn переходов (AlGaAs-GaAs), каждый из которых улавливает свет определенного спектра. Такие солнечные элементы достигают наивысшей эффективности – 35%. Большая сложность изготовления таких устройств делает их малораспространенными.
Для повышения эффективности преобразования света также используют концентрувальну оптику.
На данный момент ведутся исследования по созданию гибких пленочных солнечных элементов, а также полупроводниковых красок, использованию органических полупроводников.
Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25 ° C он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4% / градус. Это представляет проблему для фотоэлементов с концентрувальною оптикой. Поэтому они требуют дополнительного охлаждения.
Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы-производителя к другой и составляет около 0,6 В (рис.1). Эта величина не зависит от размеров элемента и его освещенности. Чтобы повысить выходное напряжение солнечные элементы соединяют последовательно. Такие соединения называют солнечной батареей. Негативным моментом такого соединения является несколько меньшая надежность, поскольку достаточно выхода из строя (или просто попадание в тень) одного элемента чтобы ток уменьшился в целом батареи. Солнечные элементы не «боятся» короткого замыкания.
Стандартными условиями для паспортизации солнечных батарей во всем мире признаются следующие:
Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 г. 1 кВт * ч электроэнергии, произведенной с их помощью стоила $ 60, в 1980 г. – $ 1, сейчас – $ 0,20 – $ 0,30). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 30% в год, ежегодный объем их продаж превышает (по мощности) 50 МВт.
В Украине ведущим производителем солнечных батарей является ОАО «Квазар».