|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Принцип роботи сонячних елементів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Альтернативні джерела енергії Хоча багато хто з нас цього не підозрює, спосіб отримання електроенергії із сонячного світла відомий понад 100 років. Явлення фотоелектрики вперше спостерігав Едмон Беккерель в 1839 р. В одному зі своїх численних дослідів з електрикою він помістив дві металеві пластини в розчин, що проводить, і висвітлив установку сонячним світлом. На превеликий подив, він виявив, що при цьому виробляється електрорушійна сила (ЕРС). Це випадкове відкриття залишалося непоміченим до 1873 р., коли Уіллоубі Сміт виявив подібний ефект при опроміненні світлом селенової пластини. І хоча перші його досліди були недосконалі, вони знаменували собою початок історії напівпровідникових сонячних елементів. У пошуках нових джерел енергії в лабораторії Белла винайшли кремнієвий сонячний елемент, який став попередником сучасних фотоелектричних перетворювачів. Лише на початку 50-х років. сонячний елемент досяг відносно високого рівня досконалості. Основи теорії напівпровідників Основним напівпровідниковим матеріалом у сучасній електроніці є кремній. Більшість сучасних сонячних елементів також виготовляється із кремнію. Напівпровідник - це речовина, яку не можна назвати ні добрим провідником, ні добрим ізолятором. Наприклад, мідь – прекрасний провідник, сфера її застосування дуже широка. Скрізь, де потрібно передати електричну енергію з одного місця на інше, мідь - незамінний помічник. Те саме можна сказати і про алюміній. З іншого боку, скло має нікчемну електропровідність, але є добрим діелектриком. Якщо вам знадобиться перегородити шлях електричного струму, це завдання успішно вирішить скляний ізолятор. До речі, ізолятори полюсних наконечників у перших телефонах виготовлялися зі скла.
Електропровідність напівпровідників укладена між цими двома граничними випадками. У деяких випадках застосування напівпровідники можуть служити як провідники, у ряді інших – як ізолятори. Проте чистий кремній таки ближче до ізоляторів і дуже погано проводить електричний струм. Причина цього пояснюється особливістю його кристалічної структури. Атоми кремнію пов'язані між собою з допомогою про валентних електронів. Найкраще уявити ці зв'язки у вигляді "рук". Кожен атом кремнію має чотири "руки". Атоми кремнію дуже "товариські", вони не люблять самотності. Тому намагаються триматися "за руки" з оточуючими їх атомами. Оскільки кожен атом має чотири "руки", якими він береться за "руки" сусідів, всі разом вони утворюють ґрати, показані на рис. 1. У результаті всі чотири "руки" атома виявляються зайнятими. Отже, у такій структурі немає вільних електронів ("рук"), а без вільних електронів навряд чи можливий електричний струм. Для потреб електроніки такий стан справ є неприйнятним. Щоб протікав струм, у складі кристала необхідно мати вільні електрони. Це досягається введенням домішок у вихідну речовину. Подібний процес називається легуванням. Легування напівпровідника Припустимо, що ми взяли і замінили в нашій кристалічній структурі один атом кремнію на атом, що має валентність, рівну п'яти (тобто має п'ять "рук". Наприклад, таким атомом є атом бору. Опинившись серед своїх "нових сусідів" і взявшись з ними "за руки", цей атом незабаром виявить, що одна "рука" у нього вільна.(Автор помиляється - в якості донора (джерела вільних електронів) використовуються атоми фосфору, що мають валентність, що дорівнює п'яти, а як акцептори, що дозволяють ввести в кристал кремнію позитивні заряди (дірки), застосовуються атоми бору, для яких характерна валентність, що дорівнює трьом. - Прим. ред.)
Ця ні з ким не пов'язана "рука" не що інше, як вільний електрон. Так як атом бору більш-менш задоволений тим, що чотири з п'яти його рук - електронів зайняті, його не особливо турбує доля п'ятої. За найменшого обурення електрон "відірветься". Такою є суть легування. Чим більше домішок ми введемо в кристал, тим більше в ньому буде вільних електронів і краще кремній проводитиме електричний струм. При легуванні може відбуватися зворотний процес. Якщо атом кремнію замінити тривалентним атомом, наприклад, фосфором, у нашій структурі з'явиться так звана дірка. Отже, в кристалі спостерігається нестача "електроні" і він охоче прийме їх у свої ґрати. Внаслідок того, що в такій структурі атоми намагаються захопити електрони, дірки, що утворюються, будуть переміщатися по структурі, що відчуває брак електронів. Насправді ж електрони рухаються від дірки до дірки і, таким чином, проводять електричний струм. Виготовлення сонячного елемента Тепер можна подумати, що якщо взяти легований кристал кремнію з нестачею електронів і легований кристал із надлишком електронів і з'єднати їх разом, щось має статися.
При тісному механічному контакті двох кристалів атоми приповерхневих областях зближуються настільки, що атоми фосфору легко віддають свої зайві електрони, а атоми бору про готовність їх приймають. В результаті відновлюється електрична рівновага кристала. Але згадайте, що кристали мають дуже жорстку структуру, тому обмін відбудеться лише між атомами, які у тісному контакті друг з одним. Товщина цього контакту не перевищує розмірів декількох атомів, а обсяг напівпровідника залишається без змін. Звичайно, щоб отримати такий ефект, потрібно трохи більше, ніж просте з'єднання двох шматків кремнію разом. Найчастіше кремній легують, використовуючи процес високотемпературної дифузії. У результаті межі між областями в глибині напівпровідника, легованими різними домішками, утворюється надтонка область розділу, звана pn-переходом. Саме всередині цієї області відбувається перетворення світла на електрику. Коли частка світла, звана фотоном, з достатньою енергією вдаряється в pn-перехід, вона вибиває електрон, роблячи його вільним, тобто здатним до переміщення. Енергія фотона у своїй передається електрону. При цьому в ґратах кристала утворюється дірка. Необхідно пам'ятати, що область переходу прагне зберегти рівновагу. Цей процес, званий фотоіонізацією, відбувається не тільки в області pn-переходу, але і в будь-якій іншій частині кристала, в яку проникає сонячне світло, що має досить велику енергію, необхідну створення вільних носіїв заряду - електрона і дірки. Внаслідок того що в матеріалі n-типу існує нестача дірок, а в матеріалі p-типу - нестача електронів, дірка та електрон поділяються та мігрують у різних напрямках. Але тепер рівновага порушена. Електрон, який одержав енергію фотона, прагне знову з'єднатися зі своїм антиподом (діркою) і готовий витратити на це свою енергію. На жаль, pn-перехід є потенційним бар'єром, який електрон не може подолати. Однак якщо ми з'єднаємо області з проводимо остями p- і n-типів між собою провідником, то ця перешкода буде успішно подолана і електрон "пробереться" до своєї дірки через "чорний хід". При цьому електрон витрачає своєю енергією, яку ми використовуємо. Характеристики сонячного елемента pn-Перехід являє собою перешкоду для руху електронів. Але її не можна назвати непереборною. Енергії, яку електрон отримує від фотона, зазвичай недостатньо, щоб він міг подолати цей бар'єр і поєднатися з діркою, але так буває не завжди.
Висота потенційного бар'єру pn-переходу становить близько 600 мВ (0,6). Електрони з енергією понад 600 мВ можуть "піднятися" на цю стіну та поглинутися. Отже, максимальна напруга, яка може розвинути сонячний елемент, становить 600 мВ. Однак фактичне значення залежить від типу напівпровідникового матеріалу та конструкції сонячного елемента.
Підключення навантаження до сонячного елемента знижує енергію деяких електронів, включаючи й енергійніші серед них. В результаті знижується сумарна напруга сонячного елемента та кількість електронів, здатних подолати бар'єр pn-переходу. При збільшенні опору навантаження через неї "відкачуватиметься" дедалі більше електронів, а напруга ще більше зменшиться. Однак у певний момент відбувається дивна річ. При напрузі 450 мВ (0,45) струм (потік електронів) перестає зростати навіть незважаючи на те, що напруга продовжує зменшуватися. Досягається "плато" струму. Це пов'язане з кінцевим числом фотонів, що падають на pn-перехід. Відомо, що чим більше фотонів досягають pn-переходу, тим більше електронів вивільняється. Більше фотонів – більше струм. Однак настає момент, коли використовується буквально кожен фотон, що потрапив у pn-перехід, і число вільних електронів, а отже, і струм більше не збільшуються. Це відповідає появі "плато" на характеристиці сонячного елемента. Звичайно, кількість вільних електронів залежить ще від площі поверхні та інтенсивності світла. Очевидно, що зі збільшенням площі елемента захоплюється більше фотонів та збільшується струм. Подібно до збільшення інтенсивності світла зростає концентрація фотонів при даній площі, що також збільшує силу струму. Коефіцієнт корисної дії сонячного елемента Зазвичай середню інтенсивність сонячного світла, що досягає поверхні землі, приймають 100 мВт/см2. Інакше кажучи, сонячний елемент розміром 10x10 см2 теоретично має генерувати 10 Вт потужності. На жаль, жоден сонячний елемент не може і навіть не генеруватиме такої потужності: завжди матимуть місце втрати. Найбільша ефективність (коефіцієнт корисної дії), досягнута досі (та й то з каскадними фотоелементами експериментальної лабораторії), становить близько 30%. звичайного кремнієвого сонячного елемента коливається в межах 10-13%. Елемент площею 100 см2 може генерувати близько 1 Вт потужності. Звичайно, к. п. д. сонячного елемента залежить від багатьох факторів, серед яких найбільш значним є зміна навколишнього середовища. Зі збільшенням температури грати кристала збуджується і її атоми коливаються інтенсивніше. Це своє чергу призводить до підвищення енергетичного рівня електронів усередині структури. З часом, коли енергетичний рівень електронів підвищується настільки, що більша частина їх здатна подолати потенційний бар'єр pn-переходу, у напівпровіднику різко зростає рекомбінація. Це призводить до зменшення числа електронів, що досягають сіткових колекторів, та електричний струм у навантаженні зменшується. З іншого боку, низька температура сприяє фактичному посиленню фотоефекту. Основною причиною зменшення к. п. д. сонячних елементів зі збільшенням температури є зниження величини потенційного бар'єру pn-переходу, що призводить до падіння напруги, що генерується елементом. Автор: Байєрс Т.
Пастка для комах
01.05.2024 Загроза космічного сміття для магнітного поля Землі
01.05.2024 Застигання сипких речовин
30.04.2024
▪ Брімато - гібрид помідора та баклажану ▪ Ергономічні компоненти Samsung для LED-світильників ▪ Якісне вирощування на кремнії напівпровідникових лазерів
▪ розділ сайту Інструкції з експлуатації. Добірка статей ▪ стаття Андре Жид. Знамениті афоризми ▪ стаття Чи є кит єдиним морським ссавцем? Детальна відповідь ▪ стаття Робота на пресах для обтискання корінців книжкових блоків. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Автоматичний зарядний пристрій. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Бірманські прислів'я та приказки. Велика добірка
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page