Convertoare de energie fotovoltaică semiconductoare (fotocelule)
Fotocelulele sunt dispozitive electronice concepute pentru a transforma energia fotonilor în energia unui curent electric.
Din punct de vedere istoric, a fost inventat primul prototip al fotocelulei moderne Alexandru G. Stoletov la sfârşitul secolului al XIX-lea. El creează un dispozitiv care funcționează pe principiul efectului fotoelectric extern. Prima instalație experimentală a constat dintr-o pereche de foi metalice plane paralele, dintre care una era realizată din plasă pentru a permite trecerea luminii, iar cealaltă era solidă.
Plăcilor a fost aplicată o tensiune constantă, care putea fi reglată în intervalul de la 0 la 250 de volți. Polul pozitiv al sursei de tensiune a fost conectat la electrodul rețelei, iar polul negativ la solid. În schemă a fost inclus și un galvanometru sensibil.
Când o foaie solidă a fost iluminată cu lumină dintr-un arc electric, acul galvanometrului deviat, indicând faptul că în circuit este generat un curent continuu, în ciuda faptului că există aer între discuri.În experiment, omul de știință a descoperit că mărimea „fotocurentului” depinde atât de tensiunea aplicată, cât și de intensitatea luminii.
Complicând instalarea, Stoletov plasează electrozii în interiorul unui cilindru din care aerul este evacuat, iar lumina ultravioletă este alimentată electrodul sensibil printr-o fereastră de cuarț. Deci era deschis efect foto.
Astăzi, pe baza acestui efect, funcționează convertoare fotovoltaice… Ei reacționează la radiația electromagnetică care cade pe suprafața elementului și o transformă într-o tensiune de ieșire. Un exemplu de astfel de convertor este celula solara… Același principiu este folosit de senzori fotosensibili.
O fotocelulă tipică constă dintr-un strat de material fotosensibil de înaltă rezistență, plasat între doi electrozi conductori. Ca material fotovoltaic pentru celule solare, este utilizat în mod obișnuit semiconductor, care, atunci când este complet iluminat, este capabil să dea 0,5 volți la ieșire.
Astfel de elemente sunt cele mai eficiente din punct de vedere al energiei generate, deoarece permit transferul direct într-un singur pas al energiei fotonului - în curent electric... În condiții normale, o eficiență de 28% este norma pentru astfel de elemente.
Aici apare un efect fotoelectric intens din cauza neomogenității structurii semiconductoare a materialului de lucru.Această neomogenitate este obținută fie prin doparea materialului semiconductor folosit cu diferite impurități, creând astfel o joncțiune pn, fie prin conectarea semiconductoarelor cu diferite dimensiuni de gol (energii la care electronii își părăsesc atomii) - se obține astfel o heterojoncție, fie prin alegerea unei astfel de substanțe chimice. compoziția semiconductorului în care apare un gradient bandgap — o structură graded gap — în interior. Ca urmare, eficiența unui element dat depinde de caracteristicile de neomogenitate obținute în interiorul unei anumite structuri semiconductoare, precum și de fotoconductivitate.
Pentru a reduce pierderile într-o celulă solară, la fabricarea acestora sunt utilizate o serie de reglementări. În primul rând, se folosesc semiconductori a căror bandgap este optimă doar pentru lumina soarelui, de exemplu compuși de siliciu și arseniură de galiu. În al doilea rând, proprietățile structurii sunt îmbunătățite prin dopaj optim. Se acordă preferință structurilor eterogene și gradate. Se selectează grosimea optimă a stratului, adâncimea joncțiunii p-n și cei mai buni parametri ai rețelei de contact.
De asemenea, sunt create elemente în cascadă, unde funcționează mai mulți semiconductori cu benzi de frecvență diferite, astfel încât, după ce trece printr-o cascadă, lumina să intre în următoarea etc. Ideea de descompunere a spectrului solar pare promițătoare, astfel încât fiecare dintre ele. regiunile este transformată dintr-o secțiune separată a fotocelulei.
Există trei tipuri principale de celule fotovoltaice pe piață astăzi: siliciu monocristalin, siliciu policristalin și film subțire.Filmele subțiri sunt considerate cele mai promițătoare deoarece sunt sensibile chiar și la lumina parazită, pot fi plasate pe suprafețe curbate, nu sunt la fel de fragile ca siliciul și sunt eficiente chiar și la temperaturi ridicate de funcționare.