Veți probabil, de asemenea familiarizat cu expresia „revoluție solară“, care la auzul ultimii 20 de ani - ideea că va veni ziua când vom folosi toată energia liberă de la soare. Este tentant promisiune o zi luminoasă, cu soare, soarele trimite aproximativ 1.000 de wați de energie pe metru pătrat de suprafață a pământului, și dacă am putea aduna toată această energie, atunci am putea oferi cu ușurință de energie fără casele și birourile noastre.
În acest articol vom afla cum celulele solare transforma energia solară direct în energie electrică. In timpul studiului, veti intelege de ce utilizarea energiei solare în viața de zi cu zi se apropie și mai aproape, și de ce încă mai avem nevoie de cercetare înainte de acest proces devine util.
Celulele fotovoltaice: conversia fotonilor în electroni
Fotocelule pe care le vedeți în calculatoare și sateliții sunt celule fotovoltaice sau module (module - doar un grup de celule conectate electric și dispuse într-un singur cadru). Fotovoltaică, după cum cuvântul implică conversia directă a luminii solare în energie electrică. Pornind de la o utilizare aproape exclusiv în spațiu, celulele fotovoltaice sunt mai mult folosite în zone mai puțin exotice ale vieții umane. S-ar putea oferi chiar energia casa ta. Cum funcționează aceste dispozitive?
Elemente fotovoltaice (PV) sunt realizate din materiale speciale numite semiconductori (semiconductori), cum ar fi siliciu, care este în prezent cel mai des folosite de obicei. Ca atare, atunci când lumina lovește celula solară, o anumită parte din ea este absorbită de materialul semiconductor. Acest lucru înseamnă că energia luminii absorbită este transferată în semiconductor. Această energie eliberează electroni, permițându-le să curgă liber. În toate fotocelulele au, de asemenea, unul sau mai multe câmpuri electrice care provoacă electronii eliberați de absorbție a luminii (absorbție) să curgă într-o anumită direcție. Acest flux de electroni este un curent, și, precum și cu ajutorul contactelor metalice instalate deasupra și sub celulele solare putem lua acest curent numai pentru uz extern. De exemplu, acest curent poate alimenta calculatorul. Acest curent, împreună cu tensiunea celulei (care este un rezultat al domeniului său intern sau câmpuri) determină energia (sau putere), care poate genera o fotocelulă.
Această scurtă descriere a procesului de conversie, descrierea fundamentelor. Să ne uităm la ea mai în detaliu prin exemplul unei celule solare de siliciu cu un singur cristal.
După cum se obține celule solare siliciu
In Silicon are unele proprietăți chimice speciale, în special în forma sa cristalină. La 14 atomi de siliciu electroni distribuite în trei membrane diferite. Primele două cochilii, lângă centrul, complet umplut. Învelișul exterior, cu toate acestea, este doar pe jumătate plin, și are doar patru electroni. atom de siliciu este în orice moment caută să umple acest ultim coajă (care are scopul de a avea opt electroni). Pentru a face acest lucru, a împărțit electroni cu patru atomii de siliciu învecinate, adică ca și în cazul în care fiecare atom are mâna aproapelui său, cu excepția faptului că, în acest caz, fiecare atom are patru mâini unite patru vecini. Aceasta este ceea ce formează o structură cristalină, iar această structură este un punct important pentru acest tip de celule solare.
Am descris siliciu pur, cristalin. dioxid de siliciu pur este un slab conductor de electricitate din cauza lipsei de electroni liberi, care ar putea fi mutat ca electronii într-un bun conductor, care este, de exemplu, cupru. Mai mult decât atât, toți electronii blocat în rețelelor cristaline. Fotocelulă siliconică ușor modificate pentru a funcționa ca o celulă solară.
Detectorul de lumină siliciu este utilizat cu impurități - alți atomi sunt amestecați la atomii de siliciu, schimbând ușor principiul său de funcționare. Noi, de obicei, cred că de impurități ca ceva nedorit, dar în acest caz nu ar fi capabil să lucreze fără ele. Aceste impurități sunt de fapt adăugate pentru un anumit scop. Ia-siliciu cu dispersata atom de fosfor poate fi un atom per milion atomi de siliciu. În electroni în cadrul său exterior, nu patru cinci fosfor. Cu toate acestea, ei sunt legați cu atomii lor de siliciu învecinat, dar ideea este că unul dintre electronii, „nu este ținut de mână.“ Ea nu face parte din comunicare, dar există un proton pozitiv în nucleul fosfor, înlocuindu-l.
Când energia cade în siliciu pur, de exemplu, sub formă de căldură, aceasta poate provoca unele electroni liberi de legăturile lor și se lasă atomii lor. În fiecare caz, în acest moment au format gaura. Acesti electroni apoi umbla la întâmplare prin rețeaua cristalină în căutarea unui alt orificiu pentru a cădea în ea. Acești electroni se numesc purtători liberi, și poate transmite un curent electric. Deci, puțini dintre ei în siliciu pur și, cu toate acestea, ele sunt inutile. siliciu nostru impur cu atomi de siliciu amestecați în ea - este o altă problemă. Se pare, este nevoie de mult mai puțină energie pentru a bate unul dintre electronii „extra“ de fosfor, deoarece acestea nu sunt legați prin legături - vecinii lor nu le menține. Ca rezultat, cele mai multe dintre aceste electroni sunt eliberați, și avem purtători mult mai liber decât ar fi în siliciu pur. Procesul de adăugare a impurităților într-un anumit scop este numit dopare, iar când siliciu este dopat cu fosfor, ca rezultat este numit N-tip (tip N, N este format de negativ - negativ), din cauza răspândirii de electroni liberi. Dopate N-tip de siliciu este un conductor mult mai bine decât siliciu pur.
De fapt, doar o parte din celulele noastre solare este N-tip. Cealalta parte este dopat cu bor, care are doar trei electroni în cadrul său exterior, în loc de patru, pentru a deveni de tip P siliciu (P-tip, P este derivat din pozitiv - pozitiv). În loc de trei electroni disponibile, siliciu de tip P are trei orificii. Găuri în fapt, doar absenta de electroni, astfel încât acestea transporta opus taxa (pozitiv). Ei călătoresc precum și electroni.
Distracția începe atunci când începe să se compare siliciu N-tip și de tip P. Amintiți-vă că fiecare celulă are cel puțin un câmp electric. Fără câmp electric fotocelulă nu ar putea funcționa, iar acest domeniu este produs atunci când siliciu este N-tip de contact P-tip. Toți electroni liberi în găuri N-laterale sunt căutate pentru a le expune ia toate orificiile libere în P-parte și cu furie grăbește să le ia.
Anatomia unei fotocelule
Anterior, siliciu nostru era electric neutru. electronii suplimentare au fost echilibrate protoni de fosfor inutile. electronii care lipsesc (găuri) au fost echilibrate protoni lipsă de bor. Când găuri și electronii sunt combinate în compusul N- siliciu și P-tip, atunci această neutralitate deranjat. Toți electronii liberi umple toate găurile gratuite? Nu. În cazul în care sa întâmplat, atunci un astfel de aranjament nu ar fi foarte de succes. Direct în compusul, cu toate acestea, ele sunt amestecate și formează o barieră complică transferul de electroni de la capătul N-side la P-side. În cele din urmă, echilibrul este atins, și avem un câmp electric care separă cele două părți.
Acest câmp electric acționează ca o diodă, permițând (sau împingerea) electronii curg din P-side la N-side, dar nu și invers. Aceasta este ca un deal - electronii se poate rostogoli ușor spre partea de jos a dealului (la N-side), dar nu se poate urca peste ea (spre P-side).
Astfel, avem un câmp electric care acționează ca o diodă, în care electronii se pot deplasa numai într-o singură direcție.
Când lumina sub forma de fotoni, hit-uri de celule nostru solar, energia eliberează perechi electron-gol.
Fiecare foton are suficienta energie, de obicei, eliberează exact un electron, rezultând, de asemenea, să aibă o gaură liberă. Dacă acest lucru se întâmplă destul de aproape de câmpul electric, sau în cazul în care electron liber sau gaura liber cade accidental în zona sa de acțiune, domeniul trimite un electron la N-side și P-hole pe o parte. Acesta este un motiv suplimentar pentru o încălcare a neutralității electrice, iar dacă vom oferi o cale de curent extern, electronii vor curge prin el în țara sa natală (P-side) să se unească cu găuri, care sunt trimise la câmpul electric, ceea ce face munca lor prin acest mod. Fluxul de electroni generează curent, iar câmpul electric al fotocelulei este o cauza de stres. Cu ajutorul curent și tensiune, obținem energia pe care o produc.
Există încă câțiva pași înainte de a putea folosi celula noastră. Siliciul este un material foarte lucios, ceea ce înseamnă că este foarte reflectorizant. Fotonii reflectate nu pot fi utilizate în detectorul de lumină. Din acest motiv, stratul superior al fotocelulei este aplicată acoperire antireflex pentru reducerea pierderilor de cel puțin 5% din reflexiile.
Ultimul pas este placa de acoperire din sticlă care protejează celula din mediul extern. Modulele fotovoltaice sunt realizate prin conectarea mai multor elemente (de obicei, 36), în serie și în paralel pentru a atinge tensiunea dorită și nivelurile actuale și plasarea lor într-un cadru fiabil, complet cu capac de sticlă și terminalele pozitive și negative pe partea din spate.
Cât de mult este energia solară absorbită de celulele noastre solare? Din păcate, cele mai multe ca celula noastra simplu ar putea absorbi - aproximativ 25%, și o probabilitate de 15% sau mai puțin. De ce atât de puțini?
Pierderile de energie în detectorul de lumină
Lumina vizibila este doar o parte a spectrului electromagnetic. Radiație electromagnetică nu este monocromatica - acesta este format din gama de lungimi de undă diferite, și, prin urmare, nivelurile de energie.
Lumina poate fi împărțită în diferite lungimi de undă, și le putem vedea în forma unui curcubeu. Deoarece lumina care lovește celula nostru solar, fotonii au o gamă largă de energii, se pare că unii dintre ei nu vor avea suficientă energie pentru a forma o pereche electron-gol. Ei pur și simplu trec prin elementul ca și cum ar fi transparente. Dar există și alte fotoni cu prea multă energie. Numai o anumită cantitate de energie, măsurată în electron volți (eV) și definit materialul nostru (aproximativ 1,1 eV pentru cristal de siliciu) este necesar pentru a face electron liber. Se numește energia de ionizare a materialului. În cazul în care energia fotonica mai mare decât cantitatea necesară, energia în exces se pierde (în cazul în care fotonul are de două ori mai multă energie decât este necesar, și nu poate crea mai mult de o pereche electron-gol, dar acest efect este neglijabil). Ca rezultat, doar unul din aceste două motive există o pierdere de aproximativ 70% din energia radiantă a elementului nostru.
De ce nu putem alege un material cu o ionizare foarte scăzut pentru a utiliza mai fotonilor? Din păcate, ionizarea noastră determină, de asemenea, rezistența (tensiune) a câmpului nostru electric, iar dacă este prea mică, pentru că vom obține curentul suplimentar (datorită absorbției mai multor fotoni), vom pierde o cantitate mică de tensiune. Să ne amintim că energia este tensiunea înmulțită cu curent. Ionizarea optimă echilibrat între acești doi indicatori, aproximativ 1,4 eV pentru detectorul realizat dintr-un singur material.
Avem, de asemenea alte pierderi. electronii sunt obligați să curgă dintr-o parte a fotocelulei la alta printr-un circuit extern. Putem acoperi partea inferioară a stratului de metal, asigurând conductivitate bună, dar dacă vom acoperi complet partea de sus, fotonii nu pot trece prin conductorul opac și vom pierde toate noastre curente (în unele celule solare pe partea de sus a conductoarelor transparente utilizate, dar nu toate) . Dacă ne-am pus contactele noastre doar la părțile laterale ale elementului nostru, electronii trebuie să călătorească o extrem de lungă (pentru un electron), distanța până la contactul. Amintiți-vă că de siliciu - semiconductor, nu este atât de bine-conductoare, cum ar fi metal. Rezistența sa internă (numită rezistență serie) este destul de mare, și rezistență ridicată înseamnă și pierderi mari. Pentru a reduce aceste pierderi, celula solar acoperit cu o grilă de contacte metalice, care scurtează distanța pe care electronii trebuie să se deplaseze, care acoperă doar o mică parte a suprafeței elementului. Și chiar și în acest caz, unele dintre fotonii sunt blocate de grila, care nu poate fi prea mică sau altfel propria rezistență va fi prea mare.