Принцип действия солнечных батарей

Что такое «солнечные батареи»? Это – устройства, генерирующие электроэнергию из солнечных лучей. Иными словами, неиссякаемые электрогенераторы. Но каков принцип работы солнечных батарей? Почему солнечные лучи, попав на их поверхность, превращаются в электроток? Очень просто – благодаря явлению фотоэффекта.

Фотоэффект и солнечные батареи
Суть фотоэффекта заключается в преобразовании солнечной энергии в постоянный электроток. Происходит это следующим образом. Электроны некоторых веществ (например, кремния) способны поглощать энергию солнечных лучей. В результате они покидают свои орбиты, образуя направленный поток. Этот направленный поток электронов и будет постоянным фототоком.

Для получения этого эффекта используются специальные вещества – полупроводники. Они бывают двух типов: с p- и n-проводимостью. N-проводимость означает избыток электронов в веществе, p-, соответственно, — их недостаток. Для создания фотоэлемента необходимы два разнопроводимых полупроводника. Они помещаются один на другой, образуя двухслойную структуру. Иными словами, получается своеобразное подобие электродной батареи, в которой роль катода играет n-проводник, а анода – p-проводник.

Дальнейший принцип действия фотоэлемента основан на формировании на стыке полупроводников зоны p-n перехода. Под действием падающих лучей электроны n-проводника (который располагается вверху структуры) покидают свои атомарные орбиты. Они переходят в p-слой, где наблюдается нехватка электронов. Таким образом и возникает направленный поток электронов, он же – фототок.

Для снятия тока к пластинам полупроводников подключаются тонкие проводники и нагрузка. Работать подобная система может очень долго, так как ее функционирование на связано с химическими взаимодействиями, а значит, не происходит разрушения материалов.

Солнечные фотоэлементы

Сегодня серийные солнечные элементы выпускаются на базе кремния. Это связано с тем, что во-первых, кремний широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует значительных затрат. Для придания кремнию разных типов проводимости используют всевозможные примеси. Например, избыток электронов создается за счет введения бора, а недостаток – мышьяка. Также применяют арсенид, галлий, кадмий и т.д. Помимо формирования проводимости добавка примесей позволяет повысить эффективность кремниевых батарей, КПД которых в среднем составляет 20%.

Конечно, существуют и солнечные батареи с гораздо более высоким КПД, но их производство крайне ограничено. Они изготавливаются малыми партиями в лабораторных условиях для спеццелей (например, для нужд космической промышленности). Это объясняется тем, что несмотря на аналогичные принципы действия, в этих солнечных батареях используются другие материал и примеси. Причем эти материалы довольно сложно обрабатывать, поэтому массовое их производство пока нецелесообразно. Тем не менее, сегодня продолжаются активные разработки в этой области, направленные на получение высокоэффективных и экономически выгодных солнечных батарей.

Типы солнечных батарей

На основе кремния производятся фотопанели трех видов:

• Из монокристаллов. Для их изготовления выращиваются монокристаллы с однородной структурой. В результате такие фотоячейки отличаются равномерной поверхностью и, как следствие, лучше поглощают солнечные лучи. Иными словами, их КПД выше, чем у других видов, но при этом они стоят несколько дороже. Эти ячейки имеют вид квадратов со скошенными углами или многоугольников, что объясняется формой монокристаллической кремниевой заготовки.
• Из поликристаллов. Такие ячейки имеют неоднородную, поликристаллическую, структуру. Их светопоглощение несколько ниже, чем у моноячеек, поскольку неравномерная поверхность отражает часть лучей.
• На тонких пленках. Принцип работы таких солнечных батарей аналогичен кристаллическим. Но выпускаются они в виде гибких ячеек, которые можно устанавливать на криволинейных поверхностях. Эти батареи дешевы в производстве, и довольно эффективны, но для бытовых целей применяются редко, поскольку по сравнению с кристаллическими занимают большую площадь (примерно в 2,5раза) на единицу мощности.

Разумеется, каждая отдельно взятая фотоячейка не обладает достаточной производительностью. Поэтому их и объединяют в большие модули. Делается это для увеличения выходного напряжения или выходного тока системы. Для повышения тока применяют параллельную коммутацию, для напряжения – последовательную. Хотя чаще всего эти схемы комбинируются. Таким образом, классическая солнечная батарея, состоящая из нескольких фотоячеек, работает как обычная электросхема.