Энергии каждого фотона солнечного света обычно достаточно для высвобождения электрона и, следовательно, дополнительной дырки. Когда это происходит вблизи p-n контакта, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону и дырку на p-сторону.
Как работают солнечные батареи
В прошлом фотоэлектрические элементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии для спутников. С тех пор солнечные батареи становятся все более значительной частью нашей жизни: Они покрывают крыши домов и автомобилей, используются в наручных часах и даже солнцезащитных очках.
Но как работают солнечные батареи? Как им удается преобразовывать энергию солнечного света в электричество?
Основные принципы
Солнечные модули состоят из фотоэлектрических элементов, размещенных в общей раме. Каждый из них изготовлен из полупроводникового материала, например, кремния, который обычно используется в солнечных батареях.
Когда лучи попадают на полупроводник, он нагревается и частично поглощает их энергию. Приток энергии высвобождает электроны в полупроводнике. К фотоэлементу прикладывается электрическое поле, которое направляет свободные электроны и перемещает их в определенном направлении. Этот поток электронов образует электрический ток.
Если к верхней и нижней части фотоэлемента подключить металлические контакты, то результирующий ток можно провести по кабелям и использовать для работы различных устройств. Интенсивность тока в сочетании с напряжением элемента определяет электрическую мощность, вырабатываемую фотоэлементом.
Кремниевые полупроводники
Давайте рассмотрим процесс донорства электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья оболочка наполовину пуста — в ней только 4 электрона.
Это придает кремнию кристаллическую форму. Чтобы заполнить пробелы в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «поделиться» электронами со своими соседями. Однако чистый кристалл кремния является плохим проводником, поскольку почти все его электроны связаны в кристаллической решетке.
Поэтому в солнечных батареях используется не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, то есть атомами других веществ, добавленных к кремнию. Это означает, что на каждый миллион атомов кремния приходится только один атом, например, фосфора.
Фосфор имеет пять электронов во внешней оболочке. Четыре из этих электронов образуют кристаллические связи с соседними атомами кремния, но пятый электрон «болтается» в пространстве и не образует связей с соседними атомами.
Когда солнечные лучи падают на кремний, его электроны получают дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы вырвать их из соответствующих атомов. В результате на их месте образуются дыры. Освобожденные электроны проходят через кристаллическую решетку как носители электричества. Когда они сталкиваются с очередной «дырой», они заполняют ее.
В чистом кремнии, однако, эти свободные электроны очень малы из-за прочных связей между атомами в кристаллической решетке. Кремний, легированный фосфором, — это совсем другое дело. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется гораздо меньше энергии.
Большинство этих электронов становятся свободными носителями, которые могут быть эффективно направлены и использованы для выработки электроэнергии. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.
Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «отрицательный», из-за отрицательного заряда электронов).
Кремний также обогащен бором, который имеет только три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от слова «положительный»), который создает свободные, положительно заряженные «дырки».
Когда появились солнечные батареи
Солнечные батареи были изобретены очень давно. Явление преобразования света в электричество было впервые открыто Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Прошло почти столетие, прежде чем были созданы первые прототипы.
25 марта 1948 года итальянскому фотохимику Джакомо Луиджи Джемизану удалось создать то, что мы используем и разрабатываем сегодня. Десять лет спустя, в 1958 году, технология была впервые испытана в космосе в качестве энергетического элемента на американском спутнике Vanguard 1. Спутник был запущен 17 марта, а 15 мая того же года тот же подвиг повторил СССР («Спутник-3»), то есть технология была широко использована в нескольких странах почти одновременно.
Использование солнечных батарей в космосе — обычная практика.
Подобные структуры и сегодня используются в космосе в качестве важного источника энергии. На Земле они также используются для энергоснабжения домов и даже целых городов. Они также были включены в гражданские электромобили для достижения большей автономности.
В целом, важность этих клеток невозможно переоценить. Это единственный способ получения энергии в любой точке мира. Гидроэлектростанции, атомные электростанции, ветряные турбины и тому подобное можно построить только в определенных местах, они слишком дороги или требуют соответствующей инфраструктуры. И только с помощью солнечных батарей можно построить дом в пустыне и обеспечить его электричеством. За относительно небольшие деньги. Конечно, недостаточно для «ветряной мельницы».
Как работают солнечные панели
Стоит немного уточнить, что термин «солнечная батарея» не совсем корректен. Точнее, это верно, но это не имеет никакого отношения к тому типу электроэнергетических систем, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но энергию она получает от солнечных батарей, преобразующих солнечный свет в электричество.
Сердцем солнечного модуля являются фотоэлектрические элементы, которые установлены в общей раме. Обычно для таких ячеек используется кремний, но могут применяться и другие полупроводники.
Энергия вырабатывается, когда солнечный свет попадает на полупроводник и нагревает его. В результате в полупроводнике высвобождаются электроны. Электрическое поле заставляет электроны двигаться более равномерно, что, в свою очередь, создает электрический ток.
Примерно так выглядит солнечный модуль.
Для выработки электроэнергии контакты с обеих сторон солнечного элемента должны быть соединены. Затем он начинает подавать энергию на подключенную нагрузку или просто заряжать аккумулятор, который затем подает энергию обратно в сеть по мере необходимости.
Основное внимание уделяется кремнию, поскольку он является кристаллическим. Однако чистый кремний сам по себе является плохим проводником, и для изменения его свойств и улучшения проводимости в него добавляют очень мало примесей. Большинство примесей включают фосфор.
Как полупроводники вырабатывают электричество?
Полупроводник — это материал, в котором атомы либо имеют дополнительные электроны (n-тип), либо не имеют (p-тип), т.е. полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.
Слой n используется в качестве катода в этой схеме. Анодом является слой p. Это означает, что электроны из первого слоя могут быть переданы во второй слой. Перенос происходит за счет попадания на электроны фотонов света. Фотон нейтрализует электрон. Затем они проходят через аккумулятор и возвращаются на слой n, и все продолжается циклически.
Когда энергия израсходована, все движется по кругу, и свет всегда горит.
В современных солнечных батареях в качестве полупроводника используется кремний, но все началось с селена. Селен показал крайне низкую эффективность — не более одного процента — и был немедленно заменен. Сегодня кремний в целом отвечает требованиям отрасли, но у него есть один существенный недостаток.
Рафинирование и очистка кремния, чтобы сделать его пригодным для использования, — дорогостоящий процесс. Для снижения производственных затрат проводятся эксперименты с такими альтернативами, как медь, индий, галлий и кадмий.
Принцип работы
Как упоминалось ранее, принцип заключается в эффекте полупроводников. Кремний — один из самых эффективных полупроводников, известных человеку.
Когда фотоэлемент (верхняя кремниевая пластина блока инвертора) нагревается, электроны высвобождаются из атомов кремния и затем захватываются атомами нижней пластины. Согласно законам физики, электроны имеют тенденцию возвращаться в исходное положение. Следовательно, электроны движутся от нижней пластины по проводникам (соединительным проводам), высвобождают свою энергию для зарядки батарей и возвращаются на верхнюю пластину.
Эффективность фотоэлектрических элементов, изготовленных с помощью процесса осаждения монокристаллического кремния, намного выше, поскольку в этом случае кристаллы кремния имеют меньше поверхностей, что позволяет электронам двигаться по прямой линии.
Устройство
Конструкция солнечного коллектора очень проста.
Основа конструкции устройства состоит из:
- корпус панели;
- блоки преобразования;
- аккумуляторы;
- дополнительные устройства.
Корпус выполняет только функцию удержания конструкции и не имеет другого практического применения.
Основными элементами являются блоки инвертора. Это фотоэлектрический элемент, который изготовлен из полупроводникового материала, а именно кремния. Можно сказать, что солнечные батареи, структура и принцип действия которых всегда одинаковы, состоят из каркаса и двух тонких слоев кремния, которые могут быть осаждены на поверхности, как монокристаллическим, так и поликристаллическим процессом.
Метод осаждения кремния определяет как стоимость батареи, так и ее эффективность. Если кремний используется в монокристаллическом процессе, то эффективность батареи будет такой же высокой, как и стоимость.
Когда речь заходит о том, как работает солнечный модуль, не следует забывать о батареях. Обычно используются две батареи. Один из них является основным, а другой — резервным. Основная хранит электроэнергию и подает ее непосредственно в сеть. Второй накапливает избыток электроэнергии и передает его в сеть при падении напряжения.
Другие блоки включают контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сеть и между батареями. Обычно они работают по принципу простого реостата.
Диоды являются очень важной частью солнечной тепловой системы. Этот элемент расположен в каждой четверти блока инвертора и защищает конструкцию от перегрева из-за перенапряжения. Если диоды не установлены, существует большая вероятность того, что система выйдет из строя после первого дождя.
Как подключается
Как упоминалось ранее, конструкция солнечного модуля довольно сложна. Правильно подобранная схема для солнечного модуля поможет максимально повысить эффективность. Модули инвертора должны быть соединены в параллельно-последовательную цепь для получения оптимальной мощности и наиболее эффективного напряжения для сети.
