Если вы хотите узнать, как работают фотоэлектрические элементы, эта статья поможет вам понять, среди прочего: основные принципы происходящих процессов. Мы объясняем, из чего сделаны фотовольтаики и как они работают, то есть самый важный элемент солнечных батарей. Узнайте, каково их строение.
Когда вы знаете, что такое фотогальваника, сама работа фотогальванического элемента кажется более понятной. Именно этот элемент солнечной панели позволяет получать и преобразовывать солнечное излучение в электричество. Это обширный процесс, который десятилетиями интересовал ученых. Ниже вы найдете доступное объяснение того, как возможно, что маленькие ячейки способны дать так много – экологическое электричество, благодаря которому мы экономим и поддерживаем охрану окружающей среды. Познакомьтесь с конструкцией и работой фотогальванического элемента, а также узнайте, что такое модная и постоянно развивающаяся фотогальваника.
Производство фотоэлектрических элементов
Для производства фотоэлементов используются материалы с полупроводниковыми свойствами — в настоящее время в основном это кремний. Интересно, что метод, открытый профессором Яном Чохральским, польским химиком, жившим в 1885-1953 годах, используется для получения монокристаллов кремния.
Базовая конструкция фотогальванического элемента состоит из двух слоев полупроводника. Верхний, первый слой прозрачный. Он покрыт отрицательным электродом и антибликовым покрытием, а под ним размещен положительный электрод. В свою очередь, нижний, второй слой толще верхнего, и он разделен p-n переходами (несобственными полупроводниками).
Наряду с развитием фотоэлектрических технологий совершенствуется и конструкция ячеек. Ведущие производители ищут различные уникальные способы получения солнечной энергии. Они все охотнее используют другие материалы (например, перовскиты) или совершенствуют существующие решения, практически год за годом добиваясь все более высокой эффективности.
Типы фотоэлектрических элементов
Фотогальванические элементы можно отличить по поколениям производства, как у телефонов и другой бытовой техники. К первому поколению относятся самые известные и до сих пор самые популярные кремниевые элементы — поликристаллические и монокристаллические. Они успешно используются для производства панелей, обычно видимых на крышах или солнечных фермах. Поликристаллические панели с переливающейся поверхностью различных оттенков синего стоят дешевле, но работают с несколько меньшим КПД – порядка нескольких процентов. Эффективность от 20% до 25% достигается за счет более дорогих, но более эффективных монокристаллических модулей.
Во втором поколении есть фотоэлементы, отличающиеся конструкцией и принципами работы, напр. аморфный, CIGS или CdTe. Аморфные элементы дешевы, потому что кремний, используемый для их производства, не кристаллизуется. В свою очередь, остальные из этих ячеек сделаны из элементов, отличных от кремния.
Строительство фотоэлектрического элемента имеет ключевое значение для дальнейшего развития солнечных технологий. Фотовольтаика для компаний будущего — это не столько стандартные панели на крыше, сколько, например, крупногабаритное остекление, выполняющее ту же задачу. Все чаще ищутся решения, выходящие за рамки стандартной идеи солнечной установки. Похоже, что стекло или конструктивные элементы с фотоэлементами внутри рано или поздно ограничат доминирование стандартных кремниевых панелей.
Как работают солнечные панели?
Солнечный свет состоит из фотонов. Кремний, из которого сделан стандартный фотоэлемент, обладает свойствами поглощать фотон, что заставляет электрон двигаться. Движение электронов обеспечивает поток электричества. Таким образом, солнечное излучение становится электричеством. Постоянный ток необходимо преобразовывать в переменный, но это задача инвертора, к которому подключены панели. Одним из популярных решений также являются микроинверторы, т.е. система, в которой небольшие инверторы подключаются индивидуально к каждой из солнечных панелей.
Открытия, связанные с фотоном, движением электронов и свойствами кремния, относятся к 19 веку и началу 20 века. Стоит напомнить, что хотя Альберт Эйнштейн, выдающийся физик, был номинирован на Нобелевскую премию целых 11 раз, но получил он ее лишь однажды, в 1922 г., именно «за заслуги перед теоретической физикой, особенно за открытие законы фотоэффекта». Сами фотоэлектрические панели, позволяющие получать энергию от солнца, были созданы несколько десятков лет назад, но изначально их эффективность была слишком низкой, чтобы думать о массовом производстве. Только в конце 20-го и начале 21-го века технологическое развитие в области фотовольтаики ускорилось. Сегодня понимание того, как работают фотоэлектрические элементы, широко распространено и используется на практике.
Резюме
Как человеку, который интересуется, например, фотогальваникой для дома, вам теоретически не нужно знать, что такое конструкция фотогальванического элемента или как он работает в деталях. Это специальные знания, но очень полезные. Благодаря основам, которые мы представили в этом тексте, вам будет легче определиться с выбором конкретного типа панелей, и прежде всего вы будете знать, почему ячейки являются их ключевым элементом.