Как устроена солнечная батарея

Сегодня солнечные модули становятся все более востребованными в самых разных сферах. Из технологической экзотики они давно превратились в надежный источник энергии, почти такой же привычный, как и бытовая электросеть или газовый котел. Но если о преимуществах гелиопанелей знают практически все, то устройство солнечной батареи и принцип ее функционирования далеко не так известны.

Особенности конструкции

По сути, классическая солнечная батарея – это несколько объединенных между собой фотоэлектрических ячеек, помещенных в защитный корпус с прозрачным верхом. Ее главными элементами являются именно фотоячейки, которые преобразуют падающие на них лучи солнца в электричество. В отличие от коллекторов, нагревающих воду и вырабатывающих тепловую энергию, солнечная батарея генерирует непосредственно электричество.

Сегодня солнечные модули становятся все более востребованными в самых разных сферах. Из технологической экзотики они давно превратились в надежный источник энергии, почти такой же привычный, как и бытовая электросеть или газовый котел. Но если о преимуществах гелиопанелей знают практически все, то устройство солнечной батареи и принцип ее функционирования далеко не так известны.

Особенности конструкции

По сути, классическая солнечная батарея – это несколько объединенных между собой фотоэлектрических ячеек, помещенных в защитный корпус с прозрачным верхом. Ее главными элементами являются именно фотоячейки, которые преобразуют падающие на них лучи солнца в электричество. В отличие от коллекторов, нагревающих воду и вырабатывающих тепловую энергию, солнечная батарея генерирует непосредственно электричество.

Фотоячейка же представляет собой полупроводниковую структуру (обычно – на базе кремния), состоящую из двух веществ с разным типом проводимости. Сегодня выпускается три вида таких фотоячеек: поликристаллические, монокристаллические и тонкопленочные. Наиболее востребованы модули на монокристаллах, поскольку они отличаются более высокой производительностью за счет однородной структуры.

Защитный корпус же необходим для предохранения хрупких фотоэлементов от негативных факторов. Причем лицевая часть корпуса обязательно выполняется из специального высокопрочного стекла, пропускающего полный спектр солнечного излучения. Такое устройство позволяет преобразовывать в электричество практически все падающие лучи (за исключением некоторых потерь в самих полупроводниках).

Принцип действия

Устройство и принцип работы гелиобатарей основаны на способности полупроводников преобразовывать энергию солнца в электроэнергию. Суть этой способности заключатся в следующем. На границе двух полупроводников под действием солнечного излучения появляются разнозаряженные области (зона p-n перехода). Происходит поглощение солнечных фотонов, энергия которых передается заряженным частицам p-n зоны. Под действием этой энергии частицы приходят в движение и возникает направленный ток, называемый фотоэлектрическим.

Располагаются такие полупроводники один над другим, причем если речь идет о кремнии, верхний элемент изготавливается из так называемого n-кремния (отличающегося переизбытком электронов, обычно для этих целей добавляют примеси бора). Нижнюю же пластину изготавливают из p-кремния, в котором создается искусственная нехватка электронов (это достигается введением дополнительных примесей, обычно — мышьяка). На стыке этих пластин, между отрицательно заряженным верхним полупроводником и положительно заряженным нижним, и образуется p-n зона. Под действием лучей электроны начинают перемещаться и появляется фототок. Иными словами, две пластины кремния ведут себя аналогично обычным электродам.

Ограничение КПД солнечных батарей (порядка 20%) связано с тем, что полупроводниками поглощаются не все падающие фотоны, а только те, энергия которых достаточна для выбивания электронов, а значит, и формирования тока.

Соединение солнечных ячеек

Для повышения эффективности системы солнечные фотоячейки соединятся между собой последовательно либо параллельно (обычно эти схемы комбинируются). Причем параллельное соединение позволяет увеличить выходной ток, а последовательное – напряжение. Однако здесь есть несколько нюансов.

Например, чисто последовательное соединение нередко сложно реализовать из-за условий внешней среды и специфических электроэффектов, возникающих в фотоячейках. Дело в том, что в модульных солнечных батареях гелиоячейки располагаются рядами. И затенение отдельных рядов (как полное, так частичное) может привести к появлению обратных токов от освещенных ячеек. В лучшем случае это приведет к ощутимому снижению производительности, в худшем – к полному выходу ячейки из строя.

Поэтому система, которая устроена на базе только последовательного соединения применяется редко. Обычно схемы коммутации комбинируются, а ряды фотоячеек формируются как самостоятельные элементы. Для предотвращения обратных токов в этих случаях применяют специальные схемы распараллеливания. Также широко используются особые системы независимого распределения нагрузок. Принципы действия их основаны на избегании строго фиксированных цепей и переключении ячеек между последовательным и параллельным режимами для компенсации затенений и падений эффективности отдельных модулей.