Halvleder fotovoltaiske energiomformere (fotoceller)
Fotoceller er elektroniske enheter designet for å konvertere energien til fotoner til energien til en elektrisk strøm.
Historisk sett ble den første prototypen av den moderne fotocellen oppfunnet Alexander G. Stoletov på slutten av 1800-tallet. Han lager en enhet som fungerer etter prinsippet om ekstern fotoelektrisk effekt. Den første eksperimentelle installasjonen besto av et par parallelle flate metallplater, hvorav den ene var laget av netting for å la lys slippe gjennom og den andre var solid.
En konstant spenning ble påført arkene, som kunne justeres i området 0 til 250 volt. Den positive polen til spenningskilden ble koblet til gitterelektroden og den negative polen til det faste stoffet. Et følsomt galvanometer ble også inkludert i ordningen.
Når et solid ark ble opplyst med lys fra en elektrisk lysbue, galvanometer nål avbøyd, noe som indikerer at det genereres en likestrøm i kretsen til tross for at det er luft mellom skivene.I eksperimentet fant forskeren at størrelsen på "fotostrømmen" avhenger av både den påførte spenningen og intensiteten til lyset.
For å komplisere installasjonen, plasserer Stoletov elektrodene inne i en sylinder som luft evakueres fra, og ultrafiolett lys mates til den følsomme elektroden gjennom et kvartsvindu. Så det var åpent fotoeffekt.
I dag, basert på denne effekten, fungerer det solcelleomformere… De reagerer på elektromagnetisk stråling som faller på overflaten av elementet og konverterer det til en utgangsspenning. Et eksempel på en slik omformer er solcelle… Det samme prinsippet brukes av lysfølsomme sensorer.
En typisk fotocelle består av et lag av fotosensitivt materiale med høy motstand plassert mellom to ledende elektroder. Som et fotovoltaisk materiale for solceller er det ofte brukt halvleder, som, når den er fullt opplyst, er i stand til å gi 0,5 volt ved utgangen.
Slike elementer er mest effektive med tanke på generert energi, da de tillater direkte ett-trinns overføring av fotonenergi — i elektrisk strøm... Under normale forhold er en virkningsgrad på 28 % normen for slike elementer.
Her oppstår en intens fotoelektrisk effekt på grunn av inhomogeniteten til halvlederstrukturen til arbeidsmaterialet.Denne inhomogeniteten oppnås enten ved å dope halvledermaterialet som brukes med forskjellige urenheter, og derved skape en pn-overgang, eller ved å koble sammen halvledere med forskjellige gap-størrelser (energier som elektronene forlater atomene ved) – og dermed oppnå en heterojunction, eller ved å velge en slik kjemisk sammensetningen av halvlederen som en båndgap-gradient - en gradert gap-struktur - vises inni. Som et resultat avhenger effektiviteten til et gitt element av inhomogenitetsegenskapene oppnådd inne i en bestemt halvlederstruktur, så vel som fotokonduktiviteten.
For å redusere tap i en solcelle, brukes en rekke forskrifter i produksjonen av dem. For det første brukes halvledere hvis båndgap er optimal bare for sollys, for eksempel forbindelser av silisium og galliumarsenid.For det andre forbedres egenskapene til strukturen ved optimal doping. Preferanse gis til heterogene og graderte strukturer. Den optimale tykkelsen på laget, dybden på p-n-krysset og de beste parametrene til kontaktnettet er valgt.
Det lages også kaskadeelementer der flere halvledere med forskjellige frekvensbånd fungerer, slik at lyset etter å ha passert gjennom en kaskade kommer inn i den neste osv. Ideen om å bryte ned solspekteret ser lovende ut, slik at hver av dens regioner transformeres fra en separat del av fotocellen.
Det er tre hovedtyper av fotovoltaiske celler på markedet i dag: monokrystallinsk silisium, polykrystallinsk silisium og tynnfilm.Tynne filmer anses som de mest lovende fordi de er følsomme selv for strølys, kan plasseres på buede overflater, er ikke så sprø som silisium og er effektive selv ved høye driftstemperaturer.
Se også: Effektivitet av solceller og moduler