Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.

Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.

Все дело в кремнии

Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.

Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.

Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)

Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.

"Сэндвич" из кремния и токопроводящих слоев

Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.

Структура атомов кремния

Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:

• Кремний N-типа имеет избыток электронов
• Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)

Кремний Р и N типа

Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.

Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р - сторону пластины.

После "освобождения" электрон стремится к проводнику

Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка:) . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».

Работа фотоэлемента

Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.

Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.

Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?

Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.

1. Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
2. КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
3. Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
4. Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты

Видео о том, как производят солнечные батареи.

В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.

Комментарии:

Похожие записи

Альтернативные источники энергии с каждым днем становятся все актуальнее. Причина тому - экологичность, возобновляемость, дешевизна. Энергия солнца - один из самых выгодных источников энергии. Ближайшие несколько миллиардов лет оно будет продолжать освещать нашу планету, отдавая огромное количество энергии, в отличии от газа и нефти. Сегодня мы научились использовать этот источник с помощью системы солнечных панелей, но мало кто понимает принцип работы солнечной батареи. Давайте разберемся.

Для начала нужно понять, что система солнечного электроснабжения дома это не только те черные или синеватые панели, которые устанавливаются на крышах домов. Эти светоприемники лишь один из четырех составляющих общей системы, в которую входят:

Принцип работы солнечной батареи

Солнечная батарея или солнечный модуль - является ключевым элементом в гелиосистеме альтернативного электроснабжения. Именно он превращает солнечный свет в пригодное для использования электричество. Основа батареи - монокристалл искусственного кремния, на обе стороны которого нанесены слой бора и фосфора.

Электрический ток образуется там, где есть разность потенциалов или "+" и "-". Для этой цели и служит дополнительное покрытие. Их принято называть:

• n-тип или покрытие с избытком электронов (фосфор);
• p-тип или покрытие с недостатком электронов, так называемые "дырки" (бор);

При попадании фотонов солнечного света на покрытие n-типа , свободные электроны начинают перемещаться в зону p-типа генерируя электричество или т.н. pn-переход . Принципиальное значение имеет сторона на которую попадают солнечные лучи.

Строение солнечной батареи

1. солнечный свет;
2. верхний проводник;
3. слой n-типа (фосфор);
4. зона p-n перехода;
5. слой p-типа (бор);
6. нижний проводник;

Обе стороны солнечной батареи покрывают защитными слоями, предотвращающих механические повреждения. Верхнюю (солнечную) сторону дополнительно покрывают антибликовым светопоглощающим покрытием, которое увеличивает уровень светопоглощения.

Отдельные светоприемные блоки или модули соединяют между собой в панели, увеличивая общую мощность системы.

На сегодняшний день стоимость панелей - один из самых негативных факторов, определяющих покупку панелей. Срок окупаемости в зонах с продолжительным световым днем составляет 5-10 лет, но зачастую значительно больше. Китайцы значительно преуспели в стремлении удешевить фотоэлементы, за счет замены монокристалла кремния на поликристаллы, но это повлияло на и того не высокое КПД батарей. Среднее КПД работы солнечных батарей варьируется от 13 до 17%. Самым высокое достигнутое КПД составляло 24%.

Напоследок фильм о принципе работы солнечной батареи с комментариями специалистов:

Достаточно часто тем, кто проживает в своем собственном доме, приходится сталкиваться с тем, что отключают электроэнергию по техническим причинам или из-за чрезвычайной ситуации. Такие проблемы доставляют не только дискомфорт, но и множество проблем, например, портятся продукты, невозможно заниматься работой, если для этого требуется использование электроприборов. Что делать в такой ситуации? Стоит установить солнечные батареи, которые позволяют решить данную задачу максимально быстро и смогут доставить только пользу и ничего более.

Солнечная батарея (или панель) – это элемент питания (называется фотопластина), меняющий свою проводимость и выделяющий энергию при воздействии солнечных лучей. Именно такое преобразование позволят обогащать жилую конструкцию необходимым электричеством. Как правило, солнечные панели имеют различные виды.

В продажу поступают такие конструкции, как:

• Монокристаллическая;
• Поликристаллическая;
• Аморфная.

У каждой конструкции есть определенная производительность, от чего напрямую зависит принцип работы и цена. Пластиной с минимальной мощностью считается батарея, сделанная на основе монокристаллов, а также у них самая низкая цена. В основном, их стараются использовать в тех условиях, где постоянная подача электричества не является слишком важной.

Владелец частного дома и непосредственно таких батарей должен тщательно следить за тем, чтобы фотоэлектрическая панель была чистой, так как если на ее покрытие будет попадать большое количество таких загрязнений, как снег, помет птиц и даже сухая листва, то это снизит эффективность работы и снизит уровень подаваемого напряжения. Солнечная батарейка для дома работает по особому принципу.

А именно:

1. Происходит улавливание энергии солнца пластиной, сделанной на основе кремния.
2. При нагревании происходит высвобождение энергии.
3. Далее активизируются электроны, это способствует их передвижению по проводнику.
4. Проводниками ток направляется в полость аккумулятора, это формирует своеобразную подзарядку.
5. Посредством проводного подключения, ток поступает к бытовым приборам.

Принцип действия установки вполне понятен, но стоит ознакомиться с особенностями проведения обслуживания батарей и требуется ли оно вовсе. Первоначально нужно отметить тот факт, что в солнечной батареи полностью отсутствует движущая часть, так как это стационарные конструкции.

Как проводится обслуживание, чтобы работала солнечная батарея

Как правило, очищение покрытия стоит проводить раз в 7 дней. Специалисты считают, что этого вполне достаточно для поддержания оптимального состояния пластин в чистом виде. Также требуется осуществлять еще ряд процедур, это позволит эксплуатировать панели без проблем, а также исключить образование дефектов и неисправностей.

Обязательно проведение:

1. Внешнего осмотра на предмет выявления расшатывания креплений и образования трещин в каркасе.
2. Чистки панели.
3. Проверки силового кабеля на отсутствие оголенных проводов, что может стать причиной возгорания.
4. Контролирования и фиксирования состояния автоматики и показателей КИПа.
5. Отслеживание уровня заряда аккумулятора.
6. Контроля за состоянием конструктивными узлами блока на предмет выявления коррозийных образований.
7. Осмотра прочности кожуха панели.

Также необходимы корректировки положения конструкции, это зависит от времени года и подтягивание каждого резьбового соединения. Помимо этого, можно проводить полив панелей из шланга самой обычной проточной водой, для чего достаточно 4 процедур в год.

Безопасный и эффективный ветрогенератор можно собрать своими руками. Все этапы работы описаны на следующей странице:

КПД солнечных батарей и другие параметры

Делают солнечные панели из такого материала, как кремний, и при покупке стоит обращать внимание на такие особенности, как наличие показателя КПД, который должен превышать 20%, высокого уровня сопротивления.

Наличие закаленного стекла, устойчивости к самым суровым погодным условиям, поликристаллического покрытия, если изделие устанавливается в регионе с жаркой температурой, необходимо.

Важно монокристаллическое покрытие для областей с неблагоприятными климатическими условиями. Современные кремниевые солнечные плиты обладают рядом преимуществ. Те, кто уже пользуются подобными установками, отзываются исключительно положительно.

Признают такие изделия:

• Автономными;
• Максимально экономичными по средствам, так как не требуется оплата электроэнергии;
• Очень удобными в эксплуатации, так как не нужна регулировка;
• Выгодными, так как ресурс пополняется автоматически;
• Экологическими;
• Безопасными;
• Практичными, так как они могут быть, как резерв или основной ;
• Очень долговечными.

Есть и некоторые недостатки, но на фоне множества положительных качеств их можно назвать не существенными. К ним относят высокую стоимость, низкую устойчивость к погодным катаклизмам, надобность в подготовке места для расположения конструкции, в обслуживании, снижение производительности в зимний период времени, необходимость в модернизации, при необходимости увеличить мощность и, соответственно, производительность.

Виды солнечных батарей

Наиболее доступными по цене изделиями для улавливания солнечной энергии признаны монокристаллические, так как они сделаны по простейшей технологии и по мощности могут существенно уступить другим видам пластин. Каждый вид имеет свои особенности, за счет которых и происходит их выбор.

Солнечные плиты бывают трех видов:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Аморфные.

Панели, сделанные на основе поликристаллического кремния – это самые дорогие изделия, так как они могут накапливать солнечную энергию даже в условиях повышенной облачности и пасмурную погоду. Особенность их состоит в высокой производительности, а также медленном остывании кремниевого расплава. После того как полотно полностью остынет, оно подвергается повторной термообработке.

Такие пластины выпускаются темно-синего цвета.

Если для изготовления плиты используется аморфный кремний, то это изделия, не выпускаемые большими партиями. Данные конструкции находятся на стадии совершенствования, модернизации, так как в продажу поступили некоторые тестовые модели.

Из чего в основном делают солнечные батареи

Многие владельцы думают, что если самостоятельно создал такое оборудование, то для этого нужно просто соблюдать технологию сбора системы, но следует и соответствовать поставленным высоким требованиям.

Состав элементов для улавливания солнечной энергии очень прост, так как все конструкции состоят из:

• Солнечного модуля;
• Контролера;
• Аккумулятора;
• Инвертора;
• Первичного преобразователя;
• Комплекта проводов;
• Приборов способных отслеживать заряд аккумулятора;
• Устройства забора мощности у батареи.

Помимо этого, на пластинах могут присутствовать полимерные пленочные рулонные покрытия, которые нужны для защиты от воздействия внешних факторов. Солнечная батарея предназначена для улавливания лучей солнца и преобразования их в электроэнергию.

Устройство солнечной батареи и нюансы проектирования

Как только приобретены все необходимые приспособления, а также материалы и инвентарь можно начинать непосредственное строительство. Тот, кто сам придумал и изобрел самостоятельно солнечную батарею, обязательно начинал с проектирования, в котором были учтены важные моменты.

А именно:

1. Место расположения конструкции.
2. Угол наклона изделия.
3. Просчет несущей способности кровли, если монтаж будет проводиться на саму крышу, а не стены или фундамент дома.

Для каркаса используется алюминиевый уголок, толщина которого должна быть не меньше 35 мм. Объем ячеек должен полностью сходиться с количеством фотоэлементов. Например, 835х690 мм. В раме проделываются отверстия под метизы. На внутреннюю часть уголка наносится герметик в 2 слоя. Рама заполняется полотном оргстекла, поликарбоната, плексигласа или же любого другого материала.

Для того чтобы уплотнить швы между рамой и полотном материала, потребуется провести тщательное прижатие листа по всему периметру.

Изделие оставляется на открытом воздухе до полного высыхания. Стекло фиксируется в 10 точках, в заранее подготовленные отверстия, которые должны быть расположены в угловой части рамки и с каждой стороны. Перед тем как крепить фотоэлементы, нужно провести очищение поверхности от пыли. Далее припаивается провод к плитке, для чего предварительно протираются контакты спиртовым раствором, и укладываются под флюс. При работе с кристаллом, следует быть максимально осторожными, так как он обладает слишком хрупкой структурой.

Укладывается шина по всей длине контакта и медленно прогревается при помощи паяльника. Далее пластины нужно перевернуть, и осуществить те же самые действия. Затем происходит выкладывание фотоэлементов на поверхность оргстекла в рамку, а фиксируются они на монтажную ленту. В качестве фиксатора может быть применен обычный силиконовый клей, который наносится точечным способом. Вполне достаточно одной маленькой капли, так как он очень прочный.

Расположение кристаллов должно быть с зазорами между ними в 3-5 мм, чтобы при нагревании под воздействием лучей ультрафиолета не было деформирования поверхности. Обязательно нужно соединить проводник по краям фотоэлементов с полостью общих шин. Посредством специального устройства тестируется качество пайки. Для герметизации панели, наносится герметик между полотнами плит. Нужно сделать осторожное придавливание полотен, чтобы обеспечить максимальное приклеивание к стеклу. Края рамки также промазываются герметиком.

Боковая сторона каркаса снабжается соединительным разъемом, для подключения диодов Шоттки. Рама закрывается стеклом для защиты и также герметизируются стыки, чтобы избежать проникновение влаги внутрь конструкции. С лицевой стороны нужно обработать панель лаком. Панель устанавливается на крышу, стены или любое другое предназначенное для нее заранее место.

Эффективность панели солнечной батареи

Как уже было отмечено, существуют разные типы солнечных батарей и у каждых из них своя характеристика. Стоит заметить, что есть и гибридные конструкции для улавливания солнечной энергии, однако стоимость их гораздо выше, и в основном они применяются для промышленных зданий.

Естественно, качество и производительность любой солнечной батареи напрямую зависит от эффективности ее фотоэлементов, на что может повлиять такой фактор как:

• Климатические условия;
• Погода;
• Длительность дня и ночи;
• Равномерность освещения панели;
• Перепады температуры воздуха;
• Наличие грязи на пластике;
• Необратимые потери.

В основном, эффективность или, другими словами, производительность солнечных батарей напрямую зависит от равномерности освещения конструкции. К примеру, если один из фотоэлементов сооружения имеет малую интенсивность освещения в отличие от остальных, то это станет причиной неравномерного распределения лучей солнца при попадании на панель, а значит, будет происходить перегрузка и снижение общей энергоотдачи.

Для уменьшения влияния такого фактора в некоторых случаях попросту отключают тот фотоэлемент, который выходит из строя.

Чтобы обеспечить солнечной батареи максимальную производительность, следует направлять ее точно на солнце в зависимости от времени года. Некоторые владельцы таких конструкций предпочитают устанавливать специальные установки, посредством которых возможно дистанционно управлять или, другими словами, поворачивать сооружение в нужную сторону. Существуют системы с автоматическим поворотом в зависимости от расположения солнца, которые двигаются в течение дня самостоятельно без посторонней помощи по заданной программе.

Помимо этого, на эффективность изделия может повлиять наличие пыли и грязи на пластине, так как происходит затемнение некоторых фотоэлементов и таким образом начинается неравномерное распределение забора энергии солнца, что описано ранее. В продаже есть специальный состав, которым можно покрыть поверхность солнечной батареи и тем самым исключить скапливание на ней загрязнителей различного характера.

Как работает солнечная батарея (видео)

Солнечная батарея – дорогостоящее оборудование, независимо от того, будет оно собрано самостоятельно или же куплено в готовом виде, а надобность в постоянном обслуживании может доставить дискомфорт, но однажды вложившись в это изделие, можно на протяжении длительного времени довольствоваться постоянному присутствию электричества и отсутствию платы за него.

Сегодня у всех на слуху понятие альтернативной энергетики. Уже ни для кого не секрет, что запасы нефти, газа и других видов топлива на Земле не безграничны, поэтому ученые и инженеры продолжают искать возможности эффективного применения возобновляемых ресурсов для получения столь необходимого всем электричества. В последние годы солнечные элементы перестали быть экзотикой, используемой только в космических аппаратах, они получили широкое распространение для электроснабжения зданий, автомобилей, автономного питания мелкой бытовой техники и электроники. Поскольку Солнце – огромный источник энергии, который доступен каждому, полезно знать, как преобразовать свет в электричество или как работает солнечная батарея.

Принцип работы солнечной батареи

Это устройство, называемое также солнечной панелью, состоит из совокупности соединенных определенным способом фотоэлектрических преобразователей, в состав которых входят два слоя полупроводников с различными типами проводимости – p и n. В качестве вещества, обладающего такими свойствами, чаще всего используется кремний с определенными примесями. При добавлении к нему фосфора в полученной структуре возникает избыток электронов (отрицательных зарядов) и образуется полупроводник n-типа, а при подмешивании бора – p-типа, характеризуемый недостатком электронов или наличием дырок. Если разместить эти слои между двумя электродами так, как показано на картинке, и обеспечить к верхнему доступ света, получится фотоэлектрический преобразователь.

При освещении элемента им поглощается часть падающей энергии, в результате чего происходит дополнительная генерация дырок и электронов. Электрическим полем, существующим в p-n переходе, первые перемещаются в p-область, а вторые – в n-область. При этом на нижнем электроде скапливаются положительные заряды, на верхнем – отрицательные, то есть возникает разность потенциалов – постоянное напряжение U. Таким образом, фотоэлектрический преобразователь работает как источник электродвижущей силы (ЭДС) – небольшая батарейка. Если к ней подсоединить нагрузку, в цепи возникнет ток I, значение которого будет зависеть от вида фотоэлемента, его размеров, интенсивности солнечного излучения и сопротивления подключенных потребителей. ЭДС батареи снижается с повышением температуры приблизительно на 0,4%/°С. Поэтому для эффективной и долговременной работы панель необходимо охлаждать с помощью вентиляторов или водяных систем.

Важнейшим параметром солнечного источника энергии является мощность P=UI. Естественно, что ток и напряжение, получаемые в результате работы одного фотоэлемента, невелики, поэтому в батарее они комбинируются определенным образом для увеличения указанных показателей. Если соединить преобразователи последовательно, то общее выходное напряжение будет пропорционально их количеству. Параллельное подключение отдельных элементов приводит к увеличению тока. Сочетая определенным образом оба типа соединений так, как показано на картинке, получают требуемые выходные параметры батареи, а следовательно, и ее мощность.

При освещении батареи не вся энергия солнечного излучения преобразуется в электричество – часть ее отражается, а также тратится на нагрев элементов. Большинство выпускаемых промышленностью фотоэлектрических панелей имеют эффективность 9-24%. Также важно знать, как работает солнечная батарея в условиях, когда некоторые из элементов затемнены. В данном случае преобразователи, на которые не попадает солнечный свет, будут превращаться в потребителей энергии и нагреваться. Поэтому группы фотоэлементов шунтируются низкоомными диодами, препятствующими прохождению тока через затемненные компоненты батареи. Панель при этом будет функционировать с меньшей мощностью.

Преобразование энергии, полученной с помощью солнечных батарей

Фотоэлектрические элементы вырабатывают постоянное напряжение, но многие виды аппаратуры питаются переменным, что требует наличия соответствующих преобразователей. Кроме того, солнечные батареи производят электричество днем, а его потребление происходит круглосуточно, следовательно, необходимы дополнительные компоненты, которые будут запасать и распределять энергию. Рассмотрим пример системы электроснабжения здания с использованием солнечных источников – небольшой гелиоэлектростанции, структура которой представлена на картинке.

Эта схема может функционировать в зданиях, где присутствует электросеть, а солнечная батарея используется для экономии потребления энергии из нее, а также в качестве резервного источника при отключении основного. Общий принцип работы системы такой: постоянное напряжение, вырабатываемое фотоэлектрическими преобразователями, поступает на инвертор, преобразующий его в переменное, и на аккумуляторы, которые, заряжаясь под управлением специального контроллера, накапливают энергию.

В данном случае приборы в доме подразделяются на резервируемые – те, для которых отключение электричества может привести к нежелательным последствиям (холодильник, системы видеонаблюдения, сигнализации), и нерезервируемые – все остальные. При отключении сети инвертор питает резервируемые устройства от солнечной батареи, а если энергии от нее недостаточно, то от аккумуляторов. Когда сеть подключена, электричество, вырабатываемое панелью, в первую очередь поступает на их зарядку. А когда в этом уже нет необходимости, инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, от которого питается нагрузка. Тем самым экономится потребление из основного источника.

Солнечные батареи могут использоваться без рассмотренной дополнительной аппаратуры для питания или зарядки портативной электронной техники, работающей от постоянного напряжения, например, калькуляторов, плееров, фонариков, мобильных устройств.

Помимо электричества, из энергии света можно непосредственно получать тепло. Для этого применяются солнечные коллекторы. Учитывая, что сегодня прослеживаются тенденции снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей и повышения их эффективности, в целом гелиоэнергетика – перспективное направление, позволяющее бесшумным и экологически чистым способом получать бесплатное электричество, а также тепло для отопления и горячего водоснабжения.

Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.

Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?

Основные принципы

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.

Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.

Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.

Панель солнечной батареи

©depositphotos.com

Кремниевые полупроводники

Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.

Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.

Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.

У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.

Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.

Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.

Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.

Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».

Устройство солнечной батареи

Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.

Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.

Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.

Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.

К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.

Самое большое в мире судно на солнечных батареях PlanetSolar

©PlanetSolar/ Philip Plisson

Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.