Солнечный элемент

Солнечный элемент (фотоэлемент, фотоэлектрический преобразователь – ФЭП) – это полупроводниковый прибор, который служит для преобразования световой энергии в электрическую. В основе этого преобразования лежит явление фотоэффекта, открытое в 1887 году Генрихом Герцем.
Солнечный элемент

Принцип работы современных фотоэлементов базируется на полупроводниковом pn переходе. При проникновении фотона в область, прилегающую к pn переходу, создается пара носителей заряда: электрон и дырка. Одна из этих частиц является неосновным зарядом и с большой вероятностью проникает сквозь переход. В результате, возникшие благодаря поглощению энергии фотона заряды, разделяются в пространстве и не могут рекомбинировать. Как следствие нарушается равновесие плотности зарядов. При подключении элемента к внешней нагрузке в цепи начинает течь электрический ток.
Говорят о напряжении холостого хода и токе короткого замыкания. Напряжение холостого хода (Voс) – максимальное напряжение (внешняя нагрузка бесконечна), - это та ЭДС, которую может генерировать элемент. А ток короткого замыкания (Isc), - это максимальный ток (когда внешняя нагрузка равна нулю), - который может генерировать элемент. В рабочем режиме напряжение и ток являются меньшими, и при определенных значениях (V max и I max) элемент имеет максимальную мощность (P max).

Основные необратимые потери энергии в фотоэлементах связаны с низкой эффективностью преобразования фотона в электронно-дырочную пару.
Солнечные элементы служат для электроснабжения в отдаленных от ЛЭП районах или на орбитальных станциях, где невозможно использовать электросеть, а также для питания калькуляторов, радиотелефонов, зарядных устройств, насосов.
В августе 2009 г. ученые Университета Нового Южного Уэльса достигли рекордной эффективности солнечных батарей – 43% (т.е. 43% солнечной энергии превращается в электрическую). Однако новый рекорд был установлен только в лабораторных условиях. Так, свет перед попаданием на батареи было сфокусировано специальными линзами. Кроме того, стоимость всего оборудования далека от значений, которые позволили бы производить ее в промышленных масштабах. Рекорд для одной промышленно выпускаемой солнечной батареи в реальных условиях составляет примерно 25%.
Фотоэлементы изготавливают из различных полупроводниковых материалов. Процесс изготовления фотоэлемента близок к процессам изготовления других полупроводниковых приборов, например чипов.

Монокристаллические фотоэлементы - наиболее сложные и дорогие поскольку для их изготовления требуется кристаллический кремний, однако имеют наибольшую эффективность (14% -20% преобразования света в электрическую энергию).

Поликристаллические или мультикристалични фотоэлементы - монокристаллические, однако менее эффективны.

Тонкопленочные фотоэлементы - используют тонкие пленки изготавливаемые из расплавленного кремния. Такие фотоэлементы наименее эффективны.

В космических аппаратах используются также многопереходных солнечные элементы или гетерофотоелементы. Такой элемент состоит из нескольких pn-переходов (AlGaAs-GaAs), каждый из которых улавливает свет определенного спектра. Такие солнечные элементы достигают наивысшей эффективности – 35% - 50%. Большая сложность изготовления таких устройств делает их малораспространенными.
Для повышения эффективности преобразования света также используют концентрирующую оптику.
На данный момент ведутся исследования по созданию гибких пленочных солнечных элементов, а также полупроводниковых красок, использованию органических полупроводников.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25°C он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4% / градус. Это представляет проблему для фотоэлементов с концентрирующей оптикой. Поэтому они требуют дополнительного охлаждения.
Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы-производителя к другой и составляет около 0,6 В (рис.1). Эта величина не зависит от размеров элемента и его освещенности. Чтобы повысить выходное напряжение солнечные элементы соединяют последовательно. Такие соединения называют солнечной батареей. Негативным моментом такого соединения является несколько меньшая надежность, поскольку достаточно выхода из строя (или просто попадание в тень) одного элемента чтобы ток уменьшился в целом батареи. Солнечные элементы не «боятся» короткого замыкания.
Стандартными условиями для паспортизации солнечных батарей во всем мире признаются следующие:
Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 г. 1 кВт*ч электроэнергии, произведенной с их помощью стоила $ 60, в 1980 г. – $ 1, сейчас – $ 0,20 – $ 0,30). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 30% в год, ежегодный объем их продаж превышает (по мощности) 50 МВт.

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.