Физический принцип работы солнечных батарей

Преобразование энергии в ФЭП основывается на фотовольтаическом эффекте,  возникающем в неоднородных полупроводниковых структурах под воздействием на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может получаться легированием одного и того же полупроводника разными примесями (создание p-n-переходов) или же путём соединения разных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны, то есть энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же из-за изменения химического состава полупроводника, которое приводит к появлению градиента ширины запрещённой зоны, а точнее, к созданию варизонных структур. Возможны также разнообразные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования в большой мере зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры и оптических свойств ФЭП. Среди них наиболее важную роль играет фотопроводимость, которая обусловлена внутренним фотоэффектом в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Следует уточнить, что принцип работы ФЭП легко объясним на примере преобразователей с p-n-переходом, что широко применяются в современной солнечной и космической энергетике.

Примечательно, что электронно-дырочный переход создаётся легированием пластинки монокристаллического полупроводникового материала со специальным типом проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, которая обеспечивает создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа.

Нужно учитывать, что концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть намного выше, чем концентрация примеси в первоначальном монокристалле, то есть в базовом материале. Это необходимо для того, чтобы нейтрализовать основные свободные носители заряда, имеющиеся там, а также создать проводимость противоположного знака. Немаловажно и то, что у границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов получаются обеднённые зоны с объёмным некомпенсированным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным в p-слое. Эти зоны в совокупности образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер, то есть контактная разность потенциалов, препятствует прохождению основных носителей заряда (электронов со стороны p-слоя), однако беспрепятственно пропускает неосновные носители в противоположные направления. Это свойство p-n-переходов определяет возможность при облучении ФЭП солнечным светом получать фото-ЭДС.
Созданные светом в обоих слоях ФЭП, неравновесные носители заряда или, как их еще называют, электронно-дырочные пары разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (электроны) свободно проходят через переход , а основные (дырки) – задерживаются.

Таким образом, под воздействием солнечного излучения через p-n-переход во всех направлениях будет протекать ток неосновных неравновесных носителей заряда – фотоэлектронов и фотодырок. А это как раз и нужно для работы ФЭП. Если же теперь замкнуть внешнюю цепь, тогда электроны из n-слоя, совершив работу, будут возвращаться в p-слой и там объединяться с дырками, что движутся внутри ФЭП в противоположном направлении.

Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на полупроводниковой структуре ФЭП есть контактная система. На передней освещённой поверхности преобразователя контакты выполнены в виде сетки или же гребёнки, а на тыльной они могут быть сплошными.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП и некоторыми другими физическими процессами…

Для уменьшения потерь энергии в ФЭП разрабатываются и применяются различные мероприятия. К их числу относятся:

• использование полупроводников с шириной запрещённой зоны оптимальной для солнечного излучения;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры, которое достигается за счет её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• применение многофункциональных оптических покрытий, которые обеспечивают просветление, терморегулирование, а также защиту ФЭП от космической радиации;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубина залегания p-n-перехода, толщина базового слоя, частота контактной сетки и др.);
• разработка прозрачных ФЭП в длинноволновой области солнечного спектра, которые находятся за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП, которые специально подобраны из полупроводников по ширине запрещённой зоны. Они позволяют преобразовывать в каждом каскаде излучение, что прошло уже через предыдущий каскад и пр.

Также значительного повышения КПД ФЭП получилось добиться благодаря созданию преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к имеющемуся КПД одной стороны), применению люминесцентно переизлучающих структур, а также предварительного разложения солнечного спектра на две и более спектральные области при помощи многослойных плёночных светоделителей, то есть дихроичных зеркал с дальнейшим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.п.

В системах преобразования энергии СЭС, а именно, солнечных электростанций, в общем-то, могут использоваться любые созданные и разрабатываемые сейчас типы ФЭП различной структуры и на базе разных полупроводниковых материалов, но не все они удовлетворяют ряду требований:

• высокая надёжность при длительном (десятки лет) ресурсе работы;
• приемлемые энергозатраты на создание системы преобразования с точки зрения сроков окупаемости;
• доступность исходных материалов в достаточном количестве для изготовления элементов системы преобразования, а также возможность организации их массового производства;
• минимальные расходы энергии и массы, которые связаны с управлением системой преобразования и передачи энергии, в том числе, и ориентацией, стабилизацией станции в целом;
• удобство техобслуживания.

Так, к примеру, некоторые перспективные материалы сложно получить в необходимых для создания СЭС объемах. Это происходит из-за ограниченности природных запасов сырья и его трудоемкой переработки. Некоторые методы улучшения энергетических, эксплуатационных характеристик ФЭП, допустим, за счёт создания сложных структур, не очень совместимы с возможностью организации их масштабного производства при низкой стоимости и т.д.

Высокая производительность может достигаться только при организации целиком автоматизированного производства ФЭП, к примеру, на основе ленточной технологии, а также создании развитой сети специализированных предприятий определенного профиля, т.е. практически целой отрасли промышленности, которая соизмерима по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Производство солнечных элементов и сборка батарей на автоматизированных линиях обеспечивает снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза.
Как наиболее пригодные материалы для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС сейчас рассматриваются кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем варианте речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП), имеющих структуру AlGaAs-GaAs.

Недвижимость и цены Домодедово. Оценка недвижимости Домодедово.