|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Zasada działania ogniw słonecznych. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Alternatywne źródła energii Choć wielu z nas nie zdaje sobie z tego sprawy, sposób pozyskiwania energii elektrycznej ze światła słonecznego znany jest od ponad 100 lat. Zjawisko fotoelektryczności po raz pierwszy zaobserwował Edmond Becquerel w 1839 roku. W jednym ze swoich licznych eksperymentów z elektrycznością umieścił dwie metalowe płytki w przewodzącym roztworze i oświetlił instalację światłem słonecznym. Ku swemu wielkiemu zdumieniu odkrył, że w tym procesie generowana jest siła elektromotoryczna (EMF). To przypadkowe odkrycie pozostało niezauważone aż do 1873 roku, kiedy Willoughby Smith odkrył podobny efekt, gdy selenowa płytka została napromieniowana światłem. I chociaż jego pierwsze eksperymenty były niedoskonałe, zapoczątkowały historię półprzewodnikowych ogniw słonecznych. W poszukiwaniu nowych źródeł energii firma Bell Labs wynalazła krzemowe ogniwo słoneczne, które stało się prekursorem dzisiejszych konwerterów fotowoltaicznych. Dopiero na początku lat 50. ogniwo słoneczne osiągnęło stosunkowo wysoki stopień doskonałości. Podstawy teorii półprzewodników Krzem jest głównym materiałem półprzewodnikowym we współczesnej elektronice. Większość nowoczesnych ogniw słonecznych jest również wykonana z krzemu. Półprzewodnik to substancja, która nie jest ani dobrym przewodnikiem, ani dobrym izolatorem. Na przykład miedź jest doskonałym przewodnikiem, jej zakres jest bardzo szeroki. Wszędzie tam, gdzie wymagany jest transfer energii elektrycznej z jednego miejsca do drugiego, miedź jest nieodzownym pomocnikiem. To samo można powiedzieć o aluminium. Z drugiej strony szkło ma znikomą przewodność elektryczną, ale jest dobrym dielektrykiem. Jeśli potrzebujesz zablokować ścieżkę prądu elektrycznego, izolator szklany z powodzeniem rozwiąże ten problem. Nawiasem mówiąc, izolatory nabiegunników w pierwszych telefonach były wykonane ze szkła.
Przewodność elektryczna półprzewodników leży pomiędzy tymi dwoma granicznymi przypadkami. W niektórych zastosowaniach półprzewodniki mogą służyć jako przewodniki, w innych jako izolatory. Jednak czysty krzem jest nadal bliższy izolatorom i bardzo słabo przewodzi prąd. Powodem tego jest specyfika jego struktury krystalicznej. Atomy krzemu są połączone ze sobą za pomocą tak zwanych elektronów walencyjnych. Najlepiej myśleć o tych połączeniach jako o „rękach”. Każdy atom krzemu ma cztery ramiona. Atomy krzemu są bardzo „towarzyskie”, nie lubią samotności. Dlatego starają się trzymać „za ręce” otaczającymi je atomami. Ponieważ każdy atom ma cztery „ręce”, którymi chwyta „ręce” swoich sąsiadów, razem tworzą one siatkę pokazaną na ryc. 1. W rezultacie wszystkie cztery „ramiona” atomu są zajęte. W konsekwencji w takiej strukturze nie ma swobodnych elektronów („ręk”), a bez elektronów swobodnych prąd elektryczny jest prawie niemożliwy. Dla potrzeb elektroniki taki stan rzeczy jest nie do przyjęcia. Aby prąd płynął, kryształ musi mieć wolne elektrony. Osiąga się to poprzez wprowadzenie zanieczyszczeń do pierwotnej substancji. Ten proces nazywa się dopingiem. Domieszkowanie półprzewodników Załóżmy, że wzięliśmy i zastąpiliśmy jeden atom krzemu w naszej strukturze krystalicznej atomem o wartościowości równej pięć (innymi słowy, mającym pięć „ramion”. Takim atomem jest np. atom boru. Kiedyś wśród jego „nowych sąsiadów” i biorąc ze sobą „ręce”, atom ten wkrótce odkryje, że jedna jego „ręka” jest wolna. (Autor się myli - atomy fosforu o wartościowości pięciu służą jako donor (źródło wolnych elektronów), a jako akceptory, pozwalające wprowadzić do kryształu krzemu ładunki dodatnie (dziury), stosuje się atomy boru, które charakteryzują się wartościowością równą XNUMX. – ok. red.)
Ta niepowiązana „ręka” to nic innego jak wolny elektron. Ponieważ atom boru jest mniej więcej zadowolony, że cztery z jego pięciu „ramion” – elektronów są zajęte, nie martwi się specjalnie o los piątego. Przy najmniejszym zaburzeniu elektron „odrywa się”. To jest istota dopingu. Im więcej zanieczyszczeń wprowadzimy do kryształu, tym więcej będzie w nim wolnych elektronów i tym lepiej krzem przewodzi prąd elektryczny. Podczas dopingu może wystąpić również proces odwrotny. Jeśli atom krzemu zostanie zastąpiony atomem trójwartościowym, takim jak fosfor, w naszej strukturze pojawi się tzw. dziura. W rezultacie w krysztale brakuje elektronów, które chętnie przyjmą do swojej sieci. Ze względu na to, że w takiej strukturze atomy starają się wychwycić elektrony, powstałe dziury będą przemieszczać się przez strukturę pozbawioną elektronów. W rzeczywistości elektrony przemieszczają się od dziury do dziury iw ten sposób przewodzą prąd. Produkcja ogniw słonecznych Teraz możesz pomyśleć, że jeśli weźmiesz domieszkowany kryształ krzemu z brakiem elektronów i domieszkowany kryształ z nadmiarem elektronów i złożysz je razem, coś musi się stać.
Przy bliskim kontakcie mechanicznym między dwoma kryształami atomy w obszarach przypowierzchniowych zbliżają się do siebie tak bardzo, że atomy fosforu z łatwością oddają swoje dodatkowe elektrony, a atomy boru chętnie je przyjmują. W rezultacie zostaje przywrócona równowaga elektryczna kryształu. Pamiętaj jednak, że kryształy mają bardzo sztywną strukturę, więc wymiana nastąpi tylko między atomami, które są ze sobą w najbliższym kontakcie. Grubość obszaru tego styku nie przekracza wielkości kilku atomów, a objętość półprzewodnika pozostaje niezmieniona. Oczywiście, aby uzyskać ten efekt, potrzeba czegoś więcej niż tylko połączenia ze sobą dwóch kawałków krzemu. Krzem jest najczęściej domieszkowany przy użyciu procesu dyfuzji w wysokiej temperaturze. W rezultacie na granicy między obszarami w głębi półprzewodnika, domieszkowanych różnymi zanieczyszczeniami, powstaje hipercienki obszar międzyfazowy, zwany złączem pn. To właśnie w tym regionie zachodzi przemiana światła w energię elektryczną. Kiedy cząsteczka światła, zwana fotonem, uderza w złącze pn z wystarczającą energią, wybija elektron, czyniąc go wolnym, to znaczy zdolnym do ruchu. Energia fotonu jest następnie przekazywana elektronowi. W tym przypadku w sieci krystalicznej powstaje dziura. Należy pamiętać, że region przejściowy ma tendencję do utrzymywania równowagi. Proces ten, zwany fotojonizacją, zachodzi nie tylko w rejonie złącza pn, ale także w każdej innej części kryształu, do której wnika światło słoneczne, mające odpowiednio dużą energię potrzebną do wytworzenia nośników ładunku swobodnego - elektronu i dziury. Ze względu na brak dziur w materiale typu n i brak elektronów w materiale typu p, dziura i elektron są rozdzielone i migrują w różnych kierunkach. Ale teraz równowaga jest wyłączona. Elektron, który otrzymał energię fotonu, stara się ponownie połączyć ze swoją antypodą (dziurą) i jest gotowy wydać na to swoją energię. Niestety, złącze pn stanowi barierę potencjału, której elektron nie jest w stanie pokonać. Jeśli jednak połączymy przewodem obszary z przewodnikami typu p i n, to przeszkoda ta zostanie pomyślnie pokonana i elektron „przejdzie” do swojej dziury „tylnymi drzwiami”. W tym przypadku elektron wydaje po drodze swoją energię, którą wykorzystujemy. Charakterystyka ogniw słonecznych Złącze pn jest potężną przeszkodą dla ruchu elektronów. Ale nie można tego nazwać nieodpartym. Energia, jaką elektron otrzymuje od fotonu, zwykle nie wystarcza do pokonania tej bariery i połączenia się z dziurą, ale nie zawsze tak jest.
Wysokość bariery potencjału złącza pn wynosi około 600 mV (0,6 V). Elektrony o energiach powyżej 600 mV mogą „wspinać się” po tej ścianie i zostać wchłonięte. Dlatego maksymalne napięcie, jakie może wytworzyć ogniwo słoneczne, wynosi 600 mV. Rzeczywista wartość zależy jednak od rodzaju materiału półprzewodnikowego i konstrukcji ogniwa słonecznego.
Podłączenie obciążenia do ogniwa słonecznego zmniejsza energię niektórych elektronów, w tym tych bardziej energetycznych. W rezultacie zmniejsza się całkowite napięcie ogniwa słonecznego i liczba elektronów, które mogą pokonać barierę złącza pn. Wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia „wypompowywana” będzie coraz większa liczba elektronów, a napięcie będzie jeszcze bardziej spadać. Jednak w pewnym momencie dzieje się coś dziwnego. Przy 450 mV (0,45 V) prąd (strumień elektronów) przestaje rosnąć, mimo że napięcie nadal maleje. Osiągnięto „plateau” prądu. Zjawisko to wynika ze skończonej liczby fotonów padających na złącze pn. Wiadomo, że im więcej fotonów dociera do złącza pn, tym więcej elektronów zostaje uwolnionych. Więcej fotonów - więcej prądu. Przychodzi jednak moment, kiedy dosłownie każdy foton, który wszedł do złącza pn jest wykorzystywany i liczba wolnych elektronów, a co za tym idzie prąd, przestaje rosnąć. Odpowiada to pojawieniu się „plateau” w charakterystyce ogniwa słonecznego. Oczywiście liczba wolnych elektronów zależy również od pola powierzchni i natężenia światła. Oczywiście wraz ze wzrostem powierzchni komórki wychwytywanych jest więcej fotonów, a prąd wzrasta. Podobnie, wraz ze wzrostem natężenia światła wzrasta stężenie fotonów na danym obszarze, co również zwiększa prąd. wydajność ogniw słonecznych Zwykle przyjmuje się, że średnie natężenie światła słonecznego docierającego do powierzchni ziemi wynosi 100 mW/cm2. Innymi słowy, ogniwo słoneczne o wymiarach 10x10 cm2 powinno teoretycznie generować 10 watów mocy. Niestety żadne ogniwo słoneczne nie może i nie będzie generować takiej mocy: zawsze będą straty. Najwyższa wydajność (współczynnik wydajności) osiągnięta do tej pory (i to nawet wtedy z fotokomórkami kaskadowymi w laboratorium doświadczalnym) wynosi około 30%. Sprawność konwencjonalnego krzemowego ogniwa słonecznego waha się od 10-13%. Element o powierzchni 100 cm2 może wygenerować około 1 wata mocy. Oczywiście wydajność ogniwa fotowoltaicznego zależy od wielu czynników, wśród których najważniejsza jest zmiana temperatury otoczenia. Wraz ze wzrostem temperatury sieć krystaliczna jest wzbudzana, a jej atomy wibrują intensywniej. To z kolei prowadzi do wzrostu poziomu energii elektronów wewnątrz struktury. Z biegiem czasu, gdy poziom energii elektronów wzrośnie tak bardzo, że większość z nich jest w stanie pokonać barierę potencjału złącza pn, rekombinacja w półprzewodniku gwałtownie wzrasta. Prowadzi to do zmniejszenia liczby elektronów docierających do kolektorów siatkowych i zmniejsza się prąd elektryczny w obciążeniu. Z drugiej strony niska temperatura przyczynia się do rzeczywistego wzmocnienia efektu fotoelektrycznego. Główną przyczyną spadku wydajności ogniw słonecznych wraz ze wzrostem temperatury jest spadek wartości bariery potencjału złącza pn, co prowadzi do spadku napięcia generowanego przez ogniwo. Autor: Byers T.
Maszyna do przerzedzania kwiatów w ogrodach
02.05.2024 Zaawansowany mikroskop na podczerwień
02.05.2024 Pułapka powietrzna na owady
01.05.2024
▪ Amerykańska energia słoneczna ▪ Pole magnetyczne Jowisza nie ma bieguna północnego ▪ Grypa po raz pierwszy pojawia się w Internecie
▪ sekcja serwisu Historie z życia radioamatorów. Wybór artykułów ▪ artykuł Otwieracz do puszek. Historia wynalazku i produkcji ▪ artykuł Co to jest ekwiwalent TNT? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Kermek vyemchatolistny. Legendy, uprawa, metody aplikacji ▪ artykuł Falownik trójfazowy, 36 V. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony