1.2. Структура солнечного элемента
Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Максимальная часть из частных выпускаемых в настоящее время СЭ делают из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он очень распространен на земле в подобии песка, он является диоксидом кремния (SiO2), он еще известен как «кварцит». Другая часть где применяют кремний — электроника, где его используют для производства полупроводниковых приборов и микросхем.
Рис.1.Структура солнечного элемента 1.свет(фотоны)2.лицевойконтакт 3. отрицательный слой 4. переходной слой 5. положительный слой 6. задний контакт.
Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Наверху находится сетка состоящая из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ привычный для него синий оттенок
1.3.Типы солнечных элементов
Солнечные элементы бывают следующих видов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Различие между ними заключается в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Каждый вид СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, у которых выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.
Рис.2. а)монокристаллический б)поликристаллический в)аморфный (тонкопленочный).
В последние годы были разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, в течении последних лет КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза.
Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наибольше эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента.
Ниже приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%. Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире. Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.
Пиковый ватт. Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м 2 ), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.
Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.
Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают: — освещенность 1000 Вт/м 2 — солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света) — температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).
Так как в реальных условиях работы такие параметры практически недостижимы, в последнее время все больше производителей указывают параметры модуля в так называемых «нормальных условиях» (NOCT), т.е. при температуре модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м 2 . Тем не менее, NOCT также не отражает реальную мощность модуля, так как во время работы солнечной батареи освещенность может быть даже выше 1000 Вт/м 2 , а температура существенно ниже 45С.
Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях. Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей. Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей.
Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей. Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:
из аморфного кремния (a-Si) или тонкопленочного кремния (TF-Si)
из теллурида кадмия (Cd-Te)
из деселенида галлия-меди-индия copper indium gallium deselenide (CIS or CIGS)
из синтетических (dye-sensitized solar cell) материалов с органическими добавками.
Тонкопленочные солнечные модули состтоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.
Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности. Двойное стекло также делает тонкопленочные модули намного тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной — PVC пленка.
Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули — легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.
Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.
Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.2б).
Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.
Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода:
а) — в начальный момент освещения;
б) — изменение зонной модели под действием
постоянного освещения и возникновение фотоЭДС
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.3):
где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.
ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис.4), включающая источник тока
где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (
Материалы для солнечных элементов
Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:
- оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
- генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
- солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
- полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
- структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.
Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.
Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (
15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.
Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем.
Рис.5. Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки
При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в а-Si:Н.
При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н обычно не превышает 0,6 В.
Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-n-структурой (рис.6). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема – диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (
100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света.
Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис.6).
Рис.6. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а)
и расчетное распределение электрического поля (б)
Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (
Как работает солнечный элемент, он же ФЭП
Вначале мы поговорим о том, что такое полупроводник и механизм возникновения свободных носителей заряда в нем. Затем рассмотрим рабочую зону солнечного элемента, а именно p-n переход. Далее коснемся влияния света на материалы, и как эти явления описываются с физической точки зрения. Потом будут рассмотрены явления в солнечном элементе под действием свет и модели солнечных элементов.
История вопроса активно изучается с 60-х годов по настоящее время, написано много работ и книг. Солнечные батареи стали повседневно использоваться в промышленности и быту. Основным материалом для солнечных элементов все еще являются полупроводниковые материалы.
Одной из важнейших характеристик материалов является их удельное сопротивление. Удельное сопротивление – это физическая величина характеризующая способность материала противодействовать прохождению электрического тока, его сопротивление.
Условно все материалы можно разделить на три группы по их удельному сопротивлению:
1)Металлы — удельное сопротивление 10 -8 — 10 -6 ом м
2)Изоляторы — удельное сопротивление 10 10 — 10 16 ом м
3)Полупроводники — удельное сопротивление 10 -3 — 10 7 ом м
Еще одна характерная черта полупроводника — увеличение проводимости с ростом температуры. Это отличает полупроводники от металла.
Собственные чистые полупроводники
Самый распространённый в настоящее время полупроводниковый материал – кремний Si. Валентность, число атомов на внешней оболочке, участвующих в связи атомов друг с другом 4. Атомы соединяет ковалентная связь (связь между атомами за счет пары электронов, являющихся общими для них). При Т=0 все электроны привязаны к своим атомам.
С ростом температуры существует вероятность, что электрон покинет свой атом и станет свободным носителем тока. С дальнейшим повышением температуры таких электронов становится все больше. Сопротивление материала падает. Атом, который покинул электрон становится заряженным положительно и способен захватить электрон у соседнего атома. Таким образом положительный заряд тоже начинает путешествовать по кристаллу. Атом, потерявший электрон, называется дыркой. Если приложить к кристаллу кремния внешнее электрическое поле, то по нему потечет ток, который создают свободные носители заряда электроны и дырки. В процессе движения дырки и электроны могут встретиться и исчезнуть, и эта, обретшая электрон дырка, снова образует электронейтральный атом. Процесс взаимоуничтожения свободного электрона и дырки называется рекомбинацией.
Количество пар электрон-дырка, возникающих в полупроводнике в промежуток времени в единице объёма, можно описать следующей зависимостью (экспоненциальная зависимость от энергии пришла из статистической физики, где она доказывается строго)
нет. Электрон, переходя из валентной зоны в зону проводимости, оставляет атом заряженный положительно или ион. На освободившееся место может перейти валентный электрон соседнего атома возвращая электронейтральность данному атому и заряжая положительно атом, который он только что покинул. Гулять начинает положительный заряд. Это состояние удобно описывать как движение квазичастицы — несуществующей частицы, которой приписывают характеристики реальной частицы. В данном случае эту положительно заряженную частицу назвали дыркой.
Несколько слов о зонной теории. Согласно представлениям квантовой механики электрон, также как и другие частицы, может иметь не произвольную энергию, а строго определенные ее значения. Говорят, что энергия квантуется. Так, к примеру у атома водорода радиусы электрона имеют только вполне определенные значения, соответствующие значениям энергии. При переходе с одной орбиты на другую испускается или поглощается квант энергии равный разнице исходной и конечной орбиты. Екон — Енач = hv. Если увеличить систему атомов до макроскопических размеров, количество возможных состояний орбиталей становится очень большим, вместо одной разрешенной орбиты для одного атома. Из-за влияния соседнего атома происходит ее расщепление на два значения находящихся рядом друг с другом, а так как количество атомов в твердом теле очень большое, то и расщепление уровня энергии происходит практически до непрерывного дискретного набора— энергетических зон, которые может занимать электрон. Аналогом из механики является ситуация похожая на колебания двух маятников, связанных между собой пружиной, когда вместо одной частоты колебаний происходит ее расщепление на две.
Электрон — это частица, на которую действует, согласно положениям квантовой механики, принцип запрета Паули, согласно которому два электрона (или два любых других фермиона) не могут иметь одинаковое квантово-механическое состояние в одном атоме или одной молекуле. Ни одна пара электронов в атоме не может иметь одинаковые квантовые числа. Квантовые числа — это наборы дискретных значений орбит-уровней энергии, вращательных и магнитных моментов электрона, возникающих как решение уравнения Шредингера.
Следствием принципа Паули является разнообразие химических элементов. То, что электроны не могут находиться на одной и той же орбите, говорит о том, что электроны последовательно занимают доступные электронные оболочки в структуре атома. Электроны неразличимы друг от друга, и поэтому вопрос о том, где именно находится конкретный электрон теряет смысл.
Если рассмотреть вопрос более подробно:
В квантовой механике для описания поведения частицы, в данном случае электрона, используется волновая функция . Физического смысла волновая функция
.
Физического смысла волновая функция не имеет, но квадрат модуля волновой функции
несет в себе информацию о вероятности обнаружения частицы в момент времени t в маленьком объёме с координатами x,y,z. Сам термин «волновая функция» говорит о поведении и свойствах, приписываемых частице, как частице и волне.
В гамильтониан, отражающий полную энергию системы кристалла, входит:
— суммарная кинетическая энергия всех электронов;
— суммарная кинетическая энергия всех ядер;
— потенциальная энергия попарно взаимодействующих электронов;
— потенциальная энергия взаимодействия всех ядер;
— потенциальная энергия взаимодействия электронов и ядер.
Понятно, что число переменных равно числу частиц в единице объёма. Для 1 см3 это примерно 10 23 . В общем виде решить данную систему уравнений невозможно. Поэтому принимаются упрощения и допущения, которые существенно упрощают решение:
— приближение Борна-Оппенгеймера. Допускается что ядра атомов неподвижны, что приводит к обращению в ноль в гамильтониане кинетической энергии ядер атомов, а энергия взаимодействия ядер атомов постоянна.
— приближение Хартри-Фока. Модель независимых электронов: когда потенциальная энергия взаимодействия электронов заменяется на взаимодействие электрона с усредненным полем остальных электронов. Причем поле не только влияет на электрон, но и зависит от его движения. Это особое состояние поля получило название самосогласованного. В этой постановке упрощается потенциальная энергия взаимодействия ядер и электронов как сумма потенциальных энергий электрона с полем всех ядер. Это упрощение позволяет свести задачу к задаче одного электрона. Тогда уравнение Шредингера запишется
Вместо одного значения для энергии атомного уровня электрона имеется энергетическая зона с минимальным и максимальным значением, которое дает второе слагаемое.
Облака электронов соседних атомов перекрываются, что приводит к перекрытию волновых функций, вследствие чего расщепляются уровни, на которых могут находиться электроны, и возникают разрешенные для электронов зоны. Расстояние между уровнями изолированных атомов перерождается, в свою очередь, в запрещенные зоны, где электроны находиться не могут.
Расчет зонной структуры для кремния — чрезвычайно сложная задача, так как зависимость Е(к) при произвольном к приводит к решению уравнения 146 степени. Поэтому расчеты можно провести в некоторых симметричных точках, что приводит к упрощению уравнений до 16 степени и дальше интерполировать результаты. Надо отметить, что все приближения не позволяют описать реальные полупроводники, а только качественно объяснить явления, происходящие в них.
Для электрона, как частицы, подчиняющейся принципу запрета Паули (фермион), распределение по уровням энергии описывается функцией Ферми Дирака. Это вероятность нахождения в системе электрона с энергией Е.
Например, для кремния:
Для Si А = В= 10 19 см -3
Это на 10 порядков меньше концентрации атомов.
Значит, в отличие от метала, в полупроводнике в зоне проводимости находится гораздо меньшее количество электронов чем атомов. Поэтому можно рассматривать эти электроны как газ, находящийся в невырожденном состоянии (они занимают маленькую часть доступных состояний). Считается, что каждый атом создает набор доступных для электрона состояний.
Применяя эти рассуждения для распределения Ферми по энергиям, получаем Больцмановское распределение по энергиям.
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.
Виды солнечных элементов
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.