Солнечные ячейки: Солнечные батареи для дома и дачи

Солнечные элементы. Виды и работа. Применение и особенности

Фотогальванические полупроводниковые фотоэлементы преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрическую. По принципу действия они являются фотодиодами, не требующими приложения внешнего напряжения, и создающими электродвижущую силу самостоятельно.

Первые такие элементы были разработаны в 1926 году, в качестве полупроводникового материала использовалась закись меди. Далее были разработаны селеновые фотоэлементы. В 1958 году в США и СССР были запущены спутники с использованием солнечных батарей.

В настоящее время используются в основном кремниевые фотоэлементы, преобразующие энергию солнечных лучей, и называются подобные ячейки обычно солнечными элементами. Полупроводниковый кремний широко распространен на земле в виде диоксида кремния (обычного песка, или кремнезема).

Путем последовательного и параллельного соединения элементов создаются солнечные батареи мощностью до нескольких киловатт.

Кремниевые солнечные элементы выпускаются 4 видов:

• Поликристаллические.
• Монокристаллические.
• Тонкопленочные.
• Гибридные.

Все эти виды солнечных элементов производятся по разным технологиям.

Производство солнечных элементов

Для производства поликристаллических элементов прежде всего, путем медленного охлаждения расплава кремния, выращиваются призматические заготовки квадратного сечения, разрезаемые далее на тонкие квадратные пластинки. Поверхность ячеек темного (черного) оттенка с неоднородной структурой.

Неоднородность вызывается тем, что заготовка не представляет собой единого кристалла, а состоит из большого количества кристалликов случайной ориентации.

Выращивание поликристаллов требует меньших затрат, чем производство монокристаллов, что удешевляет поликристаллические солнечные элементы в сравнении с другими типами.

Монокристаллические солнечные элементы производятся из монокристаллов кремния высокой чистоты с не более чем 0,01% примесей, и они отличаются более высокой стоимостью и эксплуатационными характеристиками, чем поликристаллические элементы.

Монокристаллы кремния выращиваются при температуре 1300 °С в виде призмы с поперечным сечением в виде многоугольника, соответственно ячейки этого типа имеют форму квадрата со скошенными углами, либо многоугольника. Монокристалличность заготовки определяет однородный характер поверхности элементов. Самый верхний слой ячейки выполнен из антиотражающего материала, придающего элементу яркий синий цвет.

Тонкопленочные солнечные элементы называют также «гибкими панелями». Производятся подобные ячейки напылением в вакууме при температуре 300 °С полупроводникового аморфного кремния на тонкую гибкую подложку из стекла, пластика или металла. Кристаллы кремния при этом осаждаются на подложке неравномерно и направлены своими осями в разные стороны случайным образом.

Как альтернатива, взамен кремния напыляются теллурид кадмия или селенид меди-индия. Слой полупроводникового материала покрывается сверху защитной пленкой. Технологии производства подобных элементов непрерывно совершенствуются. Тонкопленочные солнечные элементы отличаются минимальной толщиной (около 1 мкм) и малыми затратами на изготовление.

При производстве гибридных солнечных элементов над кристаллическим полупроводниковым материалом располагается тонкий слой аморфного полупроводника.

Принцип действия солнечных элементов

В основе работы фотоэлементов лежит давно открытое явление фотоэффекта – испускания веществом электронов под действием света или любого другого электромагнитного изучения.

Солнечный элемент представляет собой p-n переход, это по сути два соприкасающихся полупроводника разной проводимости с разделяющим слоем между ними. В p-полупроводнике электронов недостаток, а в n-полупроводнике напротив, избыток. В сторону источника излучения направлен n-полупроводник (внешний электрод), он располагается на подложке поверх p-полупроводника (внутреннего электрода). При попадании на элемент солнечных лучей электроны n-полупроводника выбиваются с атомных орбит и переходят в лежащий ниже p-полупроводник. Образуется направленный поток электронов, который можно замкнуть на внешнюю нагрузку с протеканием в ней непрерывного электрического тока.

Такой элемент является некоторым аналогом батареи с катодом (отводом от n-полупроводника) и анодом (отводом от p-полупроводника). Отрицательным полюсом этой «батареи» является внешний электрод (сетка поверх n-полупроводника), а положительным – внутренний (подложка с нанесенным p-полупроводником).

Солнечные элементы как источники питания

Освещенный светом солнечный элемент создает на своих выводах некоторую электродвижущую силу (ЭДС), значение которой зависит от интенсивности падающего на ячейку света. С увеличением освещенности ЭДС возрастает, но лишь до определенного предела (для кремниевых элементов до 0,6 В), т.е. зависимость ЭДС от освещенности нелинейная. От размеров элементов ЭДС не зависит, но она снижается примерно на 2 мВ при нагреве элемента на 1 С.

Для получения более высокой ЭДС устройства соединяют последовательно. Отдаваемый элементом ток зависит от вида элемента и падающего светового потока, в свою очередь определяемого освещенностью и площадью ячейки. Элемент с коэффициентом полезного действия (КПД) 17% размером 156 х 156 мм выдает при коротком замыкании ток 9 А. Максимальную мощность элемент выдает при просадке напряжения под нагрузкой до 0,47-0,5 В, такой режим работы элемента наиболее оптимален. Поскольку площадь ячейки ограничивается технологией изготовления (ячейка – поперечный срез кристалла ограниченных размеров), для повышения отдаваемой мощности отдельные элементы соединяют также и параллельно.

При подключении к элементу или батарее нагрузки напряжение падает, а поскольку оно зависит и от высоты солнца, состояния неба и атмосферы (в пасмурную погоду мощность световых панелей падает в 15-20 раз), солнечные электростанции снабжаются автоматическими регуляторами и буферными аккумуляторами, сглаживающими пики потребления электроэнергии и изменения интенсивности падающего светового потока.

Особенности солнечных элементов разных видов

Солнечным элементам свойственны как общие свойства, так и отличные в зависимости от их вида и технологии изготовления.

Поликристаллические солнечные элементы

Поскольку в элементах этого типа кристаллики кремния ориентированы случайно, их эффективность снижается при прямом падении солнечного света, но, в порядке некоторой компенсации, снижается незначительно при наклонном падении света. Их характеристики незначительно зависят от угловой высоты солнца и его положения на небосводе. КПД таких элементов невысок и составляет 17-20%.

Монокристаллические солнечные элементы

КПД монокристаллических элементов выше КПД поликристаллических элементов и доходит до 25%, и даже до 44% в элементах, предназначенных для космической отрасли. Эти элементы более критичны к углу падения солнечных лучей, и их целесообразно ориентировать на Солнце с изменением положения в течение дня. Хорошо работают они и при высокой облачности, а также при отрицательных температурах.

Аморфные элементы

КПД элементов из кремния низок (около 7-10%), для элементов из современных материалов он достигает 15-20%. К достоинствам этих элементов относится возможность монтажа их на изогнутых конструкциях, они хорошо работают при рассеянном освещении. К недостатку можно отнести большие размеры – вследствие низкого КПД они требуют при равенстве мощности вдвое большей установочной площади в сравнении с кристаллическими элементами. Также со временем слой аморфного кремния постепенно деградирует, и батарея теряет эффективность, примерно на 20% мощности за первые 2 года эксплуатации.

Гибридные солнечные элементы

Поскольку кристаллический кремний и аморфный кремний наиболее эффективно работают каждый в своей области солнечного спектра, при освещении солнечным светом смешанного состава общий КПД солнечного элемента повышается.

Применение солнечных элементов

Поскольку ЭДС одного элемента составляет 0,6 В, для получения достаточного напряжения их соединяют последовательно. Батарея из соединенных последовательно 36 элементов будет обладать ЭДС 0,6 х 36 = 21,6 В, а при оптимальной нагрузке будет выдавать напряжение порядка 17-18 В. Чтобы заряжать таким напряжением аккумулятор с номинальным напряжением 12 В, необходим контроллер заряда, избавляющий аккумулятор от перезаряда, а батарею от перегрузки. Подобный контроллер позволяет путем автоматического снижения напряжения увеличивать снимаемый ток, а тем самым постоянно поддерживать элементы в режиме съема максимальной в данных условиях мощности.

Изначально предполагалось, что устройства будут применяться в основном в космической промышленности и в военных целях. Солнечные батареи – основные источники питания на космических аппаратах, особо эффективны такие устройства при полетах от Земли в сторону Солнца, где мощность батарей значительно возрастает. Очень выгодно использование солнечных элементов для питания автоматических метеостанций.

В тропических и субтропических регионах с большим количеством часов солнечного сияния в году солнечные батареи позволяют решить проблемы энергоснабжения жилых домов и дач, при этом батареи размещают на крышах. В городах батареи на солнечных элементах используются для подзарядки автомобилей, а также для уличного освещения (накопленная в светлое время суток энергия расходуется в темное). Сфера применения солнечных элементов и батарей непрерывно расширяется по мере их удешевления и совершенствования характеристик.

Похожие темы:

• Окна батареи. Прозрачные солнечные батареи. Работа и применение
• Солнечные батареи. Виды и устройство. Работа и применение
• Фоторезисторы. Виды и работа. Применение и особенности
• Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности
• Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

Гибкие солнечные панели для катеров и яхт

Солнечные панели – это удобный и надежный способ зарядки аккумуляторов на катере или яхте. Первыми на судах появились жесткие модули на алюминиевом каркасе. Однако с развитием технологий они все чаще уступают место гибким и полугибким солнечным панелям.

Если солнечная панель нужна вам, чтобы заряжать на борту яхты телефон или планшет, то не гонитесь за самыми эффективными ячейками. Эффективность преобразования солнечного света в электричество не имеет для вас решающего значения. Она не повлияет на выходную мощность и не поможет вашему телефону зарядится быстрее. Ячейки с высокой эффективностью уменьшают площадь поверхности, необходимую для получения заданной мощности. Для зарядки небольших аккумуляторов в нормальных условиях эксплуатации солнечные элементы с наивысшей эффективностью, как правило, не нужны.

Однако если на яхте установлены холодильник, водонагреватель, телевизор, инвертор и солнечные панели станут еще одним источником энергии наряду с генератором и береговым зарядным устройством, то потребуется иной подход.

Есть несколько способов установки гибких панелей — монтажные скобы, клей, двухсторонний скотч. Какой из этих вариантов подходит вам больше всего? Захотите ли вы установить стандартную готовую панель, на свою яхту или катер и чем вам при этом придется пожертвовать? Или предпочтете заказать, то что подходит именно под ваши конкретные требования?

Эффективность ячеек, %	22,2-22,4
Мощность в рабочей точке (Pmpp), Wp	310
Напряжение холостого хода (Uoc), B	23,1
Напряжение в рабочей точке (Umpp), B	18,8
Ток в рабочей точке (Impp), А	16,46
Ток короткого замыкания, (Isc), A	17. 54
Тип	Монокристаллические. Гибкие. Материал поверхности ETFE или PET
Количество ячеек, вес, габаритные размеры	Панели изготавливаются под заказ исходя из требований заказчика и размеров предполагаемого места установки

Срок службы гибких солнечные панелей меньше, чем покрытых стеклом жестких. Полугибкие модули низкого качества живут всего 1-3 года. Продолжительность работы зависит от качества ячеек и стойкости внешнего покрытия к физическим воздействиям. Например, царапины или трещины препятствуют проникновению солнечных лучей и уменьшают производительность,  более серьезные повреждения пропускают внутрь панели влагу и воду

Повреждения возникают в самых обычных условиях. Сильный ветер, поднял мелкие предметы, которые упав на солнечную панель оставили на ней следы. Птицы испачкали солнечные элементы, налипшая грязь резко снизила выходную мощность, а при попытке отчистить ее, пыль и мелкий песок стали абразивом и оставили на мягком защитном пластике глубокие царапины. .

В стандартной гибкой панели солнечную ячейку защищает несколько слоев. Первый — это EVA, распространенный в промышленности пластиковый полимер, который используется для герметизации фотоэлементов в процессе термического ламинирования. EVA изолирует ячейку от любого контакта с жидкостями, порошками, парами или газами.

Внешний слой делают из PET, еще одного пластичного полимера, широко распространенного во всех областях промышленного производства. В гибких солнечных панелях он используется в качестве наружного покрытия, поскольку обладает хорошей механической прочностью, пластичностью в процессе производства и сохраняет гибкость после нанесения

Однако PET имеет низкое термическое сопротивление и его не рекомендуется использовать в очень жарких условиях. Кроме того, PET плохо противостоит химическим воздействиям, не стоек к кислотам и щелочам растворенным в воде. Под действием агрессивной соленой среды PET желтеет,  расслаивается, а затем разрушается.

Хорошая морская гибкая солнечная панель должна иметь ETFE покрытие. ETFE — этилен тетрафторэтилен – это пластик на основе фтора. Он легко выдерживает высокую температуру и хорошо пропускает свет. Его прозрачность для солнечных лучей —  95%.  Гибкие солнечные панели использующие ETFE обладают антиотражающей способностью, имеют высокую коррозионную стойкостью и прочность. По сравнению с PET они эффективнее и экономичнее.

ETFE — это фторполимер. Макромолекула, состоящая из цепочки одинаковых молекул, содержащих атомы фтора. Главная особенность фторсодержащих полимеров,  в том, что их молекулы очень стабильны. Фторполимеры выдерживают высокие уровни термического напряжения и химической агрессии, гораздо лучше чем другие полимеры. Это одна из важных причин, почему ETFE солнечные панели рекомендуют использовать на морских катерах и яхтах.

ETFE не только долговечный и «дружественный» к ультрафиолету материал, но он еще и «интеллектуальный». Благодаря химическим свойствам молекул фторполимер самоочищается и сохраняет прозрачность на протяжении всего своего жизненного цикла. В отличие от PET, ETFE имеет высокий коэффициент огнестойкости, поэтому подходит для жаркого и сухого климата.

Показатель	ETFE	PET	На что влияет
Толщина, мм	0,025	0,15	Более тонкая пленка делает панель гибче
Прочность	Высокая	Низкая	Из-за невысокой прочности PET ячейку легче сломать при сгибании панели
Светопропускающая способность	95%	90-93	Светопропускающая способность ETFE лучше чем PET. Благодаря этому коэффициент преобразование света в электричество выше
Теплостойкость	150 С длительное время	150 С короткое время	Термостойкость ETFE покрытия выше чем PET. PET хуже подходит для регионов с жарким климатом
Атмосферостойкость	Стойкая к воздействия растворов кислот и щелочей	Не стойкая	Из-за невысокой стойкости к агрессивным средам, PET хуже подходит для использования на воде
Поверхностное сцепление (адгезия)	Не прилипает	Клейкая липкая	Поверхность ETFE не липкая, устойчивая к загрязнению, имеет хорошие самоочищающие свойства. Липкая поверхность PET легко собирает грязь во время использования, что уменьшает мощность панели
Огнестойкость	При достижении температуры возгорания не горит	При достижении температуры возгорания загорается	Огнестойкость сказывается на интенсивности пламени во время пожара.
Срок службы	Срок службы до 10 лет в условиях высокой влажности и и температуры	Срок службы до 5 лет в условиях высокой влажности и и температуры	Срок службы ETFE вдвое больше, особенно при эксплуатации на воде и в жарком климате
Цена	Дороже	Дешевле	PET панели дешевле, но по многим показателям проигрывают ETFE

Панели с  ETFE покрытием лучше подходят для использования на воде и в жарком климате

Оба типа панелей имеют свои преимущества и недостатки как в экономическом, так и в практическом отношении. Стоимость панели ETFE на 60% выше, чем эквивалент ПЭТ при той же выходной мощности. Однако ПЭТ вариант требует дополнительной заботы и внимания, если вы хотите продлить срок службы солнечных батарей до максимально возможного

Задайте вопрос,

и получите консультацию по лодочным электромоторам, аккумуляторам или зарядным устройствам для катера или яхты

Основы солнечных фотоэлектрических элементов | Министерство энергетики

Офис технологий солнечной энергии

Когда свет падает на фотогальванический (PV) элемент, также называемый солнечным элементом, этот свет может отражаться, поглощаться или проходить прямо через элемент. Фотоэлемент состоит из полупроводникового материала; «полу» означает, что он может проводить электричество лучше, чем изолятор, но не так хорошо, как металл. В фотоэлементах используется несколько различных полупроводниковых материалов.

Когда полупроводник подвергается воздействию света, он поглощает энергию света и передает ее отрицательно заряженным частицам в материале, называемому электронами. Эта дополнительная энергия позволяет электронам течь через материал в виде электрического тока. Этот ток извлекается через проводящие металлические контакты — сеткообразные линии на солнечных элементах — и затем может использоваться для питания вашего дома и остальной части электросети.

Эффективность фотоэлемента — это просто количество электроэнергии, выходящей из элемента, по сравнению с энергией падающего на него света, что показывает, насколько эффективно элемент преобразует энергию из одной формы в другую. Количество электроэнергии, вырабатываемой фотоэлементами, зависит от характеристик (таких как интенсивность и длина волны) доступного света и множества рабочих характеристик элемента.

Важным свойством фотоэлектрических полупроводников является ширина запрещенной зоны, которая указывает, какие длины волн света материал может поглощать и преобразовывать в электрическую энергию. Если ширина запрещенной зоны полупроводника соответствует длинам волн света, падающего на фотоэлектрическую ячейку, то эта ячейка может эффективно использовать всю доступную энергию.

Узнайте больше о наиболее часто используемых полупроводниковых материалах для фотоэлементов.

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, что составляет примерно 9Сегодня продано 5% модулей. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и самый распространенный полупроводник, используемый в компьютерных чипах. Элементы кристаллического кремния состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом в кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 и более лет, по истечении этого времени производя более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы

Тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым наиболее распространенным фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe можно изготавливать с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономически эффективной альтернативой, их эффективность все еще не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным. И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитные фотоэлектрические элементы

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов и названы в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки перовскита состоят из слоев материалов, которые печатаются, покрываются или наносятся вакуумным способом на нижележащий поддерживающий слой, известный как подложка. Как правило, они просты в сборке и могут достигать эффективности, аналогичной кристаллическому кремнию. В лаборатории эффективность солнечных элементов на основе перовскита улучшилась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году.до более чем 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разработать крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Органические фотоэлектрические элементы 

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет. Ячейки OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем ячейки из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть менее дорогими в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV можно использовать в самых разных целях. PV

Квантовые точки

Солнечные элементы с квантовыми точками проводят электричество через мельчайшие частицы различных полупроводниковых материалов размером всего в несколько нанометров, называемые квантовыми точками. Квантовые точки обеспечивают новый способ обработки полупроводниковых материалов, но между ними трудно создать электрическую связь, поэтому в настоящее время они не очень эффективны. Однако их легко превратить в солнечные батареи. Их можно наносить на подложку с помощью метода центрифугирования, распыления или рулонных принтеров, подобных тем, которые используются для печати газет.

Квантовые точки бывают разных размеров, а их ширина запрещенной зоны настраивается, что позволяет им собирать свет, который трудно улавливать, и сочетать их с другими полупроводниками, такими как перовскиты, для оптимизации производительности многопереходного солнечного элемента (подробнее об этом ниже).

Многопереходные фотоэлектрические элементы

Еще одна стратегия повышения эффективности фотоэлектрических элементов заключается в наслоении нескольких полупроводников для создания многопереходных солнечных элементов. Эти ячейки, по сути, представляют собой стопки различных полупроводниковых материалов, в отличие от ячеек с одним переходом, которые имеют только один полупроводник. Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, поэтому каждый из них поглощает разную часть солнечного спектра, что позволяет лучше использовать солнечный свет, чем ячейки с одним переходом. Многопереходные солнечные элементы могут достигать рекордных уровней эффективности, потому что свет, который не поглощается первым слоем полупроводника, улавливается слоем под ним.

В то время как все солнечные элементы с более чем одной запрещенной зоной являются многопереходными солнечными элементами, солнечный элемент с ровно двумя запрещенными зонами называется тандемным солнечным элементом. Многопереходные солнечные элементы, объединяющие полупроводники из столбцов III и V в периодической таблице, называются многопереходными солнечными элементами III-V.

Многопереходные солнечные элементы продемонстрировали КПД выше 45%, но они дороги и сложны в производстве, поэтому они предназначены для исследования космоса. Военные используют солнечные элементы III-V в беспилотниках, и исследователи изучают другие способы их применения, где ключевым фактором является высокая эффективность.

Концентрация Фотогальваника

Концентрация PV, также известная как CPV, фокусирует солнечный свет на солнечный элемент с помощью зеркала или линзы. Фокусируя солнечный свет на небольшой площади, требуется меньше фотоэлектрического материала. Фотоэлектрические материалы становятся более эффективными по мере того, как свет становится более концентрированным, поэтому самая высокая общая эффективность достигается с помощью ячеек и модулей CPV. Однако требуются более дорогие материалы, технологии производства и возможность отслеживать движение солнца, поэтому демонстрация необходимого преимущества по стоимости по сравнению с современными кремниевыми модулями большого объема стала сложной задачей.

Узнайте больше об исследованиях в области фотоэлектричества в офисе технологий солнечной энергии, ознакомьтесь с этими информационными ресурсами солнечной энергии и узнайте больше о том, как работает солнечная энергия.

Солнечная батарея | Определение, принцип работы и разработка

схема структуры солнечного элемента

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Роджер Энджел

Похожие темы:

тонкопленочный солнечный элемент
верхний соединительный слой
концентратор солнечной батареи
кремниевый солнечный элемент
солнечная панель

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

солнечный элемент , также называемый фотогальваническим элементом , любое устройство, которое напрямую преобразует энергию света в электрическую энергию посредством фотогальванического эффекта. Подавляющее большинство солнечных элементов изготавливается из кремния — с повышением эффективности и снижением стоимости, поскольку материалы варьируются от аморфных (некристаллических) до поликристаллических и кристаллических (монокристаллических) форм кремния. В отличие от батарей или топливных элементов, солнечные элементы не используют химические реакции и не требуют топлива для производства электроэнергии, и, в отличие от электрических генераторов, они не имеют движущихся частей.

Солнечные элементы можно объединять в большие группы, называемые массивами. Эти массивы, состоящие из многих тысяч отдельных ячеек, могут функционировать как центральные электростанции, преобразовывая солнечный свет в электрическую энергию для распределения среди промышленных, коммерческих и бытовых пользователей. Солнечные элементы в гораздо меньших конфигурациях, обычно называемые панелями солнечных элементов или просто солнечными панелями, были установлены домовладельцами на крышах, чтобы заменить или увеличить их обычное электроснабжение. Панели солнечных батарей также используются для обеспечения электроэнергией во многих отдаленных наземных районах, где обычные источники электроэнергии либо недоступны, либо слишком дороги в установке. Поскольку у них нет движущихся частей, которые могли бы нуждаться в обслуживании, или топлива, которое требовало бы пополнения, солнечные элементы обеспечивают питание для большинства космических установок, от спутников связи и метеорологических спутников до космических станций. (Однако солнечной энергии недостаточно для космических зондов, отправленных к внешним планетам Солнечной системы или в межзвездное пространство, из-за распространения лучистой энергии на расстоянии от Солнца.) Солнечные элементы также использовались в потребительских товарах, таких как электронные игрушки, портативные калькуляторы и портативные радиоприемники. Солнечные элементы, используемые в устройствах такого типа, могут использовать искусственный свет (например, от ламп накаливания и люминесцентных ламп), а также солнечный свет.

Узнайте, как сделать солнечные элементы более эффективными, действенными и доступными

Посмотреть все видео к этой статье

Хотя общее производство фотоэлектрической энергии ничтожно мало, оно, вероятно, будет увеличиваться по мере сокращения запасов ископаемого топлива. Фактически, расчеты, основанные на прогнозируемом мировом потреблении энергии к 2030 году, показывают, что глобальные потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечных панелей, работающих с эффективностью 20 процентов и покрывающих лишь около 496 805 квадратных километров (191 817 квадратных миль) поверхности Земли. Потребность в материалах будет огромной, но выполнимой, поскольку кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре. Эти факторы побудили сторонников солнечной энергетики представить себе будущую «солнечную экономику», в которой практически все потребности человечества в энергии удовлетворяются за счет дешевого, чистого, возобновляемого солнечного света.

Солнечные элементы, используемые в центральной электростанции, спутнике или калькуляторе, имеют одинаковую базовую структуру. Свет попадает в устройство через оптическое покрытие или просветляющий слой, который сводит к минимуму потери света при отражении; он эффективно улавливает свет, падающий на солнечный элемент, способствуя его передаче нижележащим слоям преобразования энергии. Антиотражающий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана, который формируется на поверхности ячейки методом центрифугирования или методом вакуумного осаждения.

Три слоя преобразования энергии, расположенные ниже просветляющего слоя, — это верхний соединительный слой, поглощающий слой, составляющий ядро ​​устройства, и задний соединительный слой. Два дополнительных электрических контактных слоя необходимы для передачи электрического тока на внешнюю нагрузку и обратно в ячейку, таким образом замыкая электрическую цепь. Слой электрического контакта на лицевой стороне ячейки, куда проникает свет, обычно представляет собой некоторую сетку и состоит из хорошего проводника, такого как металл. Поскольку металл блокирует свет, линии сетки настолько тонкие и широко расставлены, насколько это возможно без ухудшения сбора тока, производимого ячейкой. Задний электрический контактный слой не имеет таких диаметрально противоположных ограничений. Он должен просто функционировать как электрический контакт и, таким образом, покрывать всю заднюю поверхность клеточной структуры. Поскольку задний слой также должен быть очень хорошим электрическим проводником, он всегда изготавливается из металла.

Поскольку большая часть энергии солнечного и искусственного света находится в видимом диапазоне электромагнитного излучения, поглотитель солнечного элемента должен эффективно поглощать излучение на этих длинах волн. Материалы, сильно поглощающие видимое излучение, относятся к классу веществ, известных как полупроводники. Полупроводники толщиной около одной сотой сантиметра или меньше могут поглощать весь падающий видимый свет; поскольку формирующий переход и контактный слои намного тоньше, толщина солнечного элемента практически равна толщине поглотителя. Примеры полупроводниковых материалов, используемых в солнечных элементах, включают кремний, арсенид галлия, фосфид индия и селенид меди-индия.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Когда свет падает на солнечный элемент, электроны в поглощающем слое возбуждаются из низкоэнергетического «основного состояния», в котором они связаны с определенными атомами в твердом теле, в более высокое «возбужденное состояние», в котором которые они могут перемещать через твердое тело. В отсутствие слоев, образующих переход, эти «свободные» электроны находятся в хаотическом движении, поэтому не может быть направленного постоянного тока. Однако добавление слоев, образующих переход, индуцирует встроенное электрическое поле, которое создает фотоэлектрический эффект. По сути, электрическое поле вызывает коллективное движение электронов, которые текут мимо электрических контактных слоев во внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу.

Материалы, используемые для двух слоев, образующих соединение, должны отличаться от материалов поглотителя, чтобы создавать встроенное электрическое поле и проводить электрический ток. Следовательно, это могут быть разные полупроводники (или один и тот же полупроводник с разными типами проводимости), а могут быть металл и полупроводник. Материалы, используемые для создания различных слоев солнечных элементов, в основном те же, что и для производства диодов и транзисторов твердотельной электроники и микроэлектроники (9).0111 см. также электроника: оптоэлектроника). Солнечные элементы и микроэлектронные устройства используют одну и ту же базовую технологию. Однако при производстве солнечных элементов стремятся создать устройство с большой площадью, поскольку производимая мощность пропорциональна освещаемой площади. В микроэлектронике цель, конечно, состоит в том, чтобы создавать электронные компоненты все меньших размеров, чтобы увеличить их плотность и скорость работы в полупроводниковых чипах или интегральных схемах.

Фотогальванический процесс имеет некоторое сходство с фотосинтезом — процессом, посредством которого энергия света в растениях преобразуется в химическую энергию.