Відкрити головне меню

Фотоелектрична комірка

Со́нячний елеме́нт

Фотоелектрична комірка, також сонячна комірка, со́нячний елеме́нт, фотогальванічний елемент, фотоелемент, фотоелектричний перетворювач (ФЕП) — електричний пристрій, який діє як перетворювач, і служить для перетворення частини світлової енергії (як правило, видимих і інфрачервоних електромагнітних хвиль) у електричну за допомогою фотоелектричного ефекту.

Загальний описРедагувати

За принципом дії розрізняють фотоелементи із зовнішнім та внутрішнім фотоефектом. За конструктивним виконанням розрізняють фотоелементи електровакуумні та напівпровідникові. Використовують у реле, в автоматичній контрольній та вимірювальній апаратурі, фотометрії.

У випадку, якщо кілька фотоелектричних комірок певним чином електрично з'єднаних між собою, загорнутих в пластик, скло, а для жорсткого зв'язку і захисту з'єднані з використанням алюмінієвої рами — називаються сонячною панеллю.

«Сонячні батареї» — умовна назва пристроїв, які перетворюють променеву енергію сонця в електричну енергію.[1]

Принцип роботиРедагувати

Фотоелектрична комірка працює в значній мірі як фотодіод, але має дуже велику площу кристала в порівнянні з фотодіодом. Фотоелектричним ефектом є створення електричного потенціалу з матеріалу, який піддається впливу світла. Фотодіоди мають прозорий електрод, через який на електронно-дірковий p-n перехід поступає світло.[2] Корпуси срібно-цинкових акумуляторів виготовляють з пластмаси.[2]

Отже, принцип роботи сучасних фотоелементів базується на напівпровідниковому p-n переході. При поглинанні фотона в області, яка прилягає до p-n переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна із цих часток є неосновним зарядом і з великою ймовірністю проникає крізь перехід. В результаті створені завдяки поглинанню енергії фотона заряди розділяються в просторі й не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага густини зарядів. При під'єднанні елементу до зовнішнього навантаження у колі протікає струм.

Говорять про напругу холостого ходу і струм короткого замикання. Напруга холостого ходу (Vvo) — максимальна напруга (зовнішнє навантаження нескінченне), яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (Isc), це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження дорівнює нулю), який може генерувати елемент. У робочому режимі напруга і струм є меншими, і при певних значеннях (Vmax і Imax) елемент має максимальну потужність (Pmax).

Втрати в сонячному елементіРедагувати

Основні необоротні втрати енергії у фотоелементах пов'язані з:

  • відбиванням сонячного випромінювання від поверхні перетворювача;
  • проходженням частини випромінювання через фотоелемент без поглинання в ньому,;
  • розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки надлишкової енергії фотонів;
  • рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об'ємі фотоелемента;
  • внутрішнім опором перетворювача,
  • деякими іншими фізичними процесами.

У серпні 2009 р. вчені університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної ефективності сонячних батарей — 43 % (тобто 43 % сонячної енергії перетворюється на електричну). Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили б виробляти її в промислових масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах становить приблизно 25 %[3].

ЗастосуванняРедагувати

Сонячні панелі використовують в автономних системах, які, зазвичай, тривалий період часу не вимагають обслуговування оператором (автоматичні прилади радіонавігації, космічні апарати і ін.), — служать для електропостачання у віддалених районах Землі або на орбітальних станціях, супутниках — де неможливо використовувати електромережу. Мініатюрні сонячні панелі вбудовують в калькулятори від яких заряджаються вбудовані акумулятори, а також для живлення радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.

МатеріалиРедагувати

Матеріали для ефективних сонячних панелей повинні бути узгоджені з характеристиками спектру освітлення.

Низька концентрація сонячної енергії передбачає покриття фотовольтаїчними елементами значних площ, а отже виготовлення достатньої кількості кремнію для таких елементів.[4] Для продукування сонячних фотоперетворювачів використовують й інші напівпровідники, проте в масовому виробництві відносно дешевий кремній з його практично невичерпними запасами сировини не має і в найближчій перспективі не матиме конкурентів.[4][5]

Фотоелементи виготовляють з різноманітних напівпровідникових матеріалів. В даний час використовується для фотоелектричних сонячних елементів такі матеріали: монокристалічний кремній, полікристалічний кремній, аморфний кремній, телурид кадмію, арсенід галію, сульфат кадмію і ін. Процес виготовлення фотоелемента близький до процесів виготовлення інших напівпровідників.

Монокристалічні фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14 %-20 % перетворення світла у електричну енергію).

Полікристалічні, чи мультикристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи використовують тонкі плівки що виготовляються з розплавленого кремнію, сульфата кадмію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

У космічних апаратах використовуються також багатоперехідні сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності — 35 %. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними.

Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрувальну оптику.

У наш час ведуться дослідження по створенню гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використанню органічних напівпровідників.

Температурний режимРедагувати

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їхній температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25 °C він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4 %/градус. Це становить проблему для фотоелементів з концентрувальною оптикою. Тому вони потребують додаткового охолодження.

Сонячна панельРедагувати

Напруга холостого ходу, яка генерується одним елементом, дещо змінюється від однієї фірми-виробника до іншої (та навіть від одного елемента до іншого в одній партії) і становить близько 0,6 В. Ця величина не залежить від розмірів елемента та його освітленості. Щоб підвищити вихідну напругу сонячні елементи з'єднують послідовно. Такі з'єднання називають сонячною панеллю. Недоліком такого з'єднання є менша надійність, оскільки у разі виходу з ладу одного елемента (або просто потрапляння його в тінь) зменшується струм у цілій батареї в цілому. Втім, сонячні елементи не «бояться» короткого замикання.

Вартість сонячних батарей швидко зменшується. Завдяки цьому попит на сонячні батареї зростає на 30 % за рік, щорічний обсяг їхнього продажу перевищує (за потужністю) 50 МВт.

Австралійцями Х.Холструпом та Л.Перкіном було сконструйовано велосипед на сонячних батареях на якому конструктори проїхали 2500 миль із Перти до Сіднея.[6] До 1987 року це була найдовша подорож, здійснена будь-коли з використанням сонячної енергії.[6] На трасі цей транспорт рухався із швидкість 20 км/год.[6]

Див. такожРедагувати

ПриміткиРедагувати

  1. Рогинский В. Современные источники электропитания. — Л.:"Энергия", 1969. С.:104
  2. а б Москатов Е. А. Источники питания. — Киев.: «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2011.—208 с, ил. ISBN 978-5-7931-0846-1 («КОРОНА-ВЕК») ISBN 978-966-8806-71-1 («МК-Пресс»)
  3. Установлен рекорд эффективности солнечных батарей
  4. а б Мачулін В., Литовченко В., Стріха М. Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України[недоступне посилання з червень 2019] // Вісник Національної академії наук України. Загальнонауковий та громадсько-політичний журнал[недоступне посилання з травень 2019]. — 2011, № 5[недоступне посилання з червень 2019]
  5. Ерохов В. Ю. Поверхнева функціональна мультитекстура для фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії[недоступне посилання з липень 2019] // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Научный журнал[недоступне посилання з травень 2019]. — Харьков: Технологический центр, 2009. — № 3/7 (39)[недоступне посилання з липень 2019].
  6. а б в Маслов В. І. / Сам себе катаю: Все про велосипед: Для серед. і ст. шк. віку / Худож Є. І. Корольков.—К.:Веселка, 1990.—172с.:іл. ISBN 5-301-00515-4 (с.:119-121)

ЛітератураРедагувати

  • Єрохов В. Ю. Альтернативна енергетика з використанням сонячних елементів / Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Львів: Сполом, 2015. — 116 c. — Бібліогр.: с. 113—116.

ПосиланняРедагувати