Как работают солнечные батареи?

Солнечные батареи

Уже сегодня в такой стране как Германия, энергия от солнечных элементов, перекрывает  50% всех нужд. Солнечные элементы – будущее всей существующей энергетической отрасли. Так как же они функционируют? Именно об этом мы и поговорим в данной статье.

Несколько лет назад, фотоэлементы применялись только в космическом пространстве, в частности для обеспечения электричеством спутников и других космических аппаратов. Но сейчас дела обстоят абсолютно по-другому. Солнечные элементы устанавливаются на крыши автомобилей, домов, применяются в часах и солнцезащитных очках.

Но по какому же принципу работают такие элементы? Как именно, получается, преобразовать энергию солнца в электрическое напряжение?

Принцип работы

Принцип работы

Все солнечные батареи строятся на базе множества электрических ячеек, устанавливаемых в общий пакет. Материал ячеек это полупроводник, и в основном это кремний.  то время когда солнечное излучение попадает на полупроводниковый элемент, последний повышает свою температуру, впитывая энергию солнца. Поглощенная энергия высвобождает электроны внутри молекул элемента. Под воздействием электрического поля, негативно заряженные частички начинают свой ход, тем самым образуя ток.

Если к верхней и нижней части полупроводника прислонить электрическую цепь, можно осуществить отбор мощности, для питания различных потребителей. Мощность отдаваемой энергии будет характеризоваться интенсивностью тока и напряжением.

Кремниевые полупроводники

Кремниевые полупроводники

На примере кремния мы с вами разберем принцип высвобождения электронов в полупроводнике. Атом молекулы кремния содержит 14 электронов и три орбиты. Первые 2, из них плотно заняты 2-мя и 8-ю негативно заряженными частичками соответственно. Орбита номер 3, полупустая. Именно благодаря данному факту кремний обладает кристаллической структурой и стремится дополнить 3-ю орбиту недостающими электронами. Соседние атомы, отдают электроны друг другу. В стандартном же состоянии, кремний не важный проводник, потому что все его электроны плотно привязаны на своих местах. В силу чего в солнечных элементах используют сплав кремния и других примесей, то есть атомы иных элементов. К примеру, на каждый 1000000 атомов кремния добавляется 1 атом фосфора.

Фосфор в своем атоме содержит 5 электронов, четверо из них связаны с соседними кристаллическими решетками атомов кремния. Выходит, что 5-й электрон остается в подвешенном состоянии и не принадлежит ни одной из молекул. В то время как данный сплав попадает под воздействие лучей солнца, одинокие электроны получают достаточное количество энергии для того чтобы покинуть свои места, и переместиться в другие атомы, а на их местах остаются так называемые «дырки». Электроны, которые сорвались со своих мест, начинают движение по кристаллической решетке и попадают в свободную «дырку».

Все эти электроны выступают эффективными носителями заряда, коим можно управлять и тем самым отбирать электрическую энергию. Процедура по добавлению в один элемент других, для достижения требуемых параметров, именуется – легированием. Кремний с добавлением малого количества фосфора, будет полупроводником n-типа (от «negative», ).  Еще кремний, возможно, легировать элементом под названием Бор, он имеет всего 3 электрона. Это уже будет полупроводник p-типа (позитивный заряд), он же насыщен «дырками».

Устройство солнечной батареи

Устройство солнечной батареи

Что произойдет если соединить между собой проводники разных типов? В одном появится множество свободных электронов, а в другом пустых мест для них – «дырок». Естественно, что негативно заряженные частички стремятся как можно быстрее занять положительные пустоты, но когда процесс закончится, оба проводника станут нейтральными. Но вместо этого, когда электроны переходят в проводник p-типа, место, где соединены 2 проводника, заряжается, и создает барьер, который заряженным частичкам не так просто преодолеть. На переходе p-n возникает поле.

 Обычно для освобождения одной негативно заряженной частички, необходим один фотон, точно так же и для создания одной «дырки». Если такое явление возникает вблизи p-n перехода, электрон направляется электрическим полем в сторону n, а «дырку» – в p-сторону. Вследствие чего баланс нарушается еще более, и в случае если на систему подействует наружное электрическое поле, блуждающие негативно – заряженные частички пойдут в p-сторону, чтобы занять пустые места, вследствие чего появляется ток.

 Одним из недостатков кремния выступает его зеркальность, то есть это элемент отражает часть солнечной энергии, которая расходуется впустую. Чтобы как можно больше снизить потери такого рода, фотоэлемент окрашивается антибликовым слоем. Ну а чтоб защитить панель от воздействий осадков, ее просто накрывают прозрачными стеклянными панелями.

КПД нынешний солнечных элементов не бьет рекордов, и лежит в пределах 12 до 18 %, самые современные разработки обладают 40% КПД.