до змісту

Сонячний елемент (фотоелемент, фотоелектричний перетворювач - ФЕП) - це напівпровідниковий прилад, який служить для перетворення світлової енергії в електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту, відкрите в 1887 році Генріхом Герцем .
Принцип роботи сучасних фотоелементів базується на напівпровідниковому pn переході. При проникненні фотона в область, прилеглу до pn переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна з цих частинок є неосновним зарядом і з великою ймовірністю проникає крізь перехід. В результаті, які отримала завдяки поглинанню енергії фотона заряди, поділяються в просторі і не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага густини зарядів. При підключенні елемента до зовнішньої навантаженні в ланцюзі починає текти електричний струм.
Кажуть про напругу холостого ходу і струмі короткого замикання. Напруга холостого ходу (Voс) - максимальна напруга (зовнішнє навантаження нескінченна), - це та ЕРС, яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (Isc), - це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження дорівнює нулю), - який може генерувати елемент. У робочому режимі напруга і струм є меншими, і при певних значеннях (V max і I max) елемент має максимальну потужність (P max).

Основні незворотні втрати енергії в фотоелементах пов'язані з низькою ефективністю перетворення фотона в електронно-дірковий пару.
Сонячні елементи служать для електропостачання у віддалених від ЛЕП районах або на орбітальних станціях, де неможливо використовувати електромережу, а також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.
У серпні 2009 р вчені Університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної ефективності сонячних батарей - 43% (тобто 43% сонячної енергії перетворюється в електричну). Однак новий рекорд був встановлений тільки в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість всього обладнання далека від значень, які дозволили б виробляти її в промислових масштабах. Рекорд для однієї промислово випускається сонячної батареї в реальних умовах становить приблизно 25%.
Фотоелементи виготовляють з різних напівпровідникових матеріалів. Процес виготовлення фотоелемента близький до процесів виготовлення інших напівпровідникових приладів, наприклад чіпів.

Монокристалічні фотоелементи - найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібно кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14% -20% перетворення світла в електричну енергію).

Полікристалічні або мультікрісталічні фотоелементи - монокристалічні, однак менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи - використовують тонкі плівки виготовляються з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

В космічних апаратах використовуються також багатоперехідних сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох pn-переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності - 35% - 50%. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними.
Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрують оптику.
На даний момент ведуться дослідження зі створення гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використання органічних напівпровідників.

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їх температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25 ° C він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4% / градус. Це становить проблему для фотоелементів з концентрує оптикою. Тому вони вимагають додаткового охолодження.
Напруга холостого ходу, що генерується одним елементом, злегка змінюється при переході від одного елемента до іншого в одній партії і від однієї фірми-виробника до іншого і становить близько 0,6 В (рис.1). Ця величина не залежить від розмірів елемента і його освітленості. Щоб підвищити вихідну напругу сонячні елементи з'єднують послідовно. Такі сполуки називають сонячною батареєю. Негативним моментом такого з'єднання є дещо менша надійність, оскільки досить виходу з ладу (або просто потрапляння в тінь) одного елемента щоб струм зменшився в цілому батареї. Сонячні елементи не «бояться» короткого замикання.
Стандартними умовами для паспортизації сонячних батарей в усьому світі визнаються наступні:
Вартість сонячних батарей швидко зменшується (у 1970 р 1 кВт * год електроенергії, виробленої з їх допомогою коштувала $ 60, у 1980 році - $ 1, зараз - $ 0,20 - $ 0,30). Завдяки цьому попит на сонячні батареї росте на 30% в рік, щорічний обсяг їх продажів перевищує (по потужності) 50 МВт.

до змісту

Чи знаєте Ви,

що тільки в 1990-х доплеровские вимірювання радіотелескопами показали швидкість Маринова для CMB (космічного мікрохвильового випромінювання), яку він відкрив у 1974 Природно, про Маринова ніхто не хотів згадувати. Детальніше читайте в FAQ по ефірної фізиці .