Устройството и принципът на работа на слънчевите клетки
Вероятно много хора се интересуват как слънчевите панели преобразуват светлинната енергия на слънцето в електрическа енергия. Всъщност това е доста сложен процес, който се разглежда в такъв клон на физиката като квантовата механика. Но ние ще се опитаме да го разберем.
Полупроводниковите материали са в основата на слънчевите клетки. Това е вид специален клас, който не може да бъде приписан нито на изолатори, нито на проводници. Ако сравним съпротивлението на полупроводниците при стайна температура, тогава то може да варира в рамките на 10 -3 - 10 9 Ohm. см. Това е по-малко от съпротивлението на изолаторите (над 10 9 ohm. cm), но и повече от проводниците (по-малко от 10 -3 ohm. cm). За производството на слънчеви клетки, като правило, се използват елементи, чието съпротивление е в диапазона от 10 -3 - 10 2 Ohm. см.
Полупроводниците са разделени на два вида: p и n. Най-често използваният полупроводник в слънчевите клетки е силиций (Si). Получава се от различни видове химични съединения, които го съдържат, като от него се отстраняват почти всички примеси.
След пречистване се разтопява и се получава Si монокристал. Този процес се нарича култивиране на изкуствени кристали по метода на Чохралски.
При производството на Si за слънчеви клетки се извършва допинг - определен брой примеси се добавят към разтопения силиций. Елементите от n-тип се получават чрез добавяне на елементи от V група на периодичната таблица като примес, например фосфор. Фосфорът има пет електрона във външната си обвивка. Следователно, когато влезе в разтопен силиций (а Si има само 4 електрона на външната обвивка), той заема мястото на атома Si в кристалната решетка и прехвърля допълнителен електрон към него. Поради това елементите от V група бяха наречени донорни.
Припроизводството на Si p - тип за слънчеви клетки се извършва точно по същия начин, както за n - тип. Но вместо елементи от група V се добавя група III, например бор. Той има три електрона във външната си обвивка и когато се добави към разтопения Si, той отнема 1 електрон от силиция. В резултат на това се образува положителен заряд (поради отсъствието на електрон), който се нарича дупка. Въз основа на това примесите от този тип се наричат акцепторни.
Дупките и електроните се движат свободно в обема на полупроводника. Рекомбинацията възниква, когато електрон заеме мястото на дупка. След това обаче на мястото, където е бил, ще се появи нова дупка. Ако към тази структура се приложи външно електрическо поле, тогава дупките ще започнат да се движат в една посока, а електроните в обратната посока.
За по-ясна представа за структурата на слънчевите клетки, разгледайте я схематично на фигурата по-долу:
Където: a - фотоните A и B създават двойки електрон-дупка aa 'и bb'. Електронът c и дупката c', които са образувани от предишния фотон, се придвижват към контактите на слънчевата клетка. Електроните d, e, f и g се движат по външната верига, като по този начин се получава протичане на ток; b - дупка, образувана в резултат на действието на фотон А. е преминал през прехода и се движи към положителния контакт. Електронът, който се появи в резултат на въздействието на фотона V., също премина през прехода и продължава да се движи към отрицателния контакт. Електронът се е преместил от полупроводник в проводник. Електронът d преминава в полупроводника и се рекомбинира с дупката c'.
Как работи слънчевата клетка? Представете си, че слънчевата батерия (структурата на фигурата по-горе) е осветена от слънчева светлина. Фотони, които удрят повърхността на слънчева клетка с различни енергии, ще бъдат абсорбираниполупроводников елемент. Фотони A и B, удряйки повърхността на слънчева инсталация, избиват електрон от произволни атоми, съответно на тяхно място се образуват дупки. Така се образуват двойки електрон-дупка. Сега, под въздействието на електрическите полета, образувани от p-n прехода, дупките и електроните могат да се движат през полупроводниковия материал. Съответно областта n привлича електрони, областта p привлича дупки. На интерфейса електрон заема мястото на дупка. Това явление се нарича рекомбинация. Освен това след рекомбинация електронът става неутрален, докато следващият фотон не го избие и наруши електрическото равновесие.
За свързване на слънчевите клетки към товара, те са снабдени с метални контакти. Неосветена слънчева клетка може да провежда ток, който идва от външен източник само в една посока. По този начин може да се определи полярността на полупроводниковото устройство на захранването.