Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект

Для генерации электричества от солнца вам нужен солнечный модуль, который состоит из одного или многих солнечных фотоэлектрических элементов. Когда на солнечный элемент падает солнечных свет, материал солнечного элемента поглощает часть солечного света (фотоны). Каждый фотон имеет малое количество энергии. Когда фотон поглощается, он инициирует процесс освобождения электрона в солнечном элементе. Вследствие того, что обе стороны фотоэлектрического элемента имеют токоотводы, в цепи возникает ток когда фотон поглощается. Солнечный элемент генерирует электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в аккумуляторной батарее.

Принцип действия фотоэлектрического элемента

  • 1.свет (фотоны)
  • 4.слой p-n перехода
  • 2.фронтальный контакт
  • 5.позитивный слой
  • 3.негативный слой
  • 6.задний контакт

Пока солнечный элемент освещается, процесс образования свободных электронов продолжается и генерируется электричество. Материалы, из которых делается элемент — это полупроводники с особыми свойствами.

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) — прибора для преобразования энергии солнечного излучения — на основе монокристаллического кремния показана на рис. 1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Зонная модель разомкнутого p-n-перехода
Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) — в начальный момент освещения; б) — изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой — положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 2б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой — положительному.

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 3):

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

где Is— ток насыщения, а Iph — фототок.


Рис.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 4), включающая источник тока Iph=SqN0Q, где S — площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q — безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is[eqU/kT-1]. p-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 3).


Рис.4. Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с единицы площади, равна

P = Iph*U = x*Iкз*Uхх ,

где x — коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз — ток короткого замыкания, Uхх — напряжение холостого хода.

Солнечные модули могут генерировать электричество в течение 20 и более лет. Износ происходит в основном от воздействия окружающей среды. Хорошо смонтированная солнечная батарея будет надежным, тихим и чистым источником энергии в течение многих лет.

Дополнительная информация: М. Мейтин. «Пусть всегда будет солнце!»

Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики

Коэффициент заполнения ВАХ солнечного элемента (fill factor — FF) — это отношение реальной мощности (Vpmax x Ipmax) к гипотетической мощности Voc x Isc. Этот коэффициент является одным из основых параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектрического преобразователя. Типичные качественные серийно выпускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ > 0.70. Бракованные элементы, которые обычно продаются на eBay или китайских аукционах или интернет-магазинах (grade B), имеют коэффициент заполнения ВАХ в диапазоне от 0.4 до 0.65. У аморфных элементов и других тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей коэффициент заполнения ВАХ находится в диапазоне 0.4 — 0.7.

На рисунке справа теоретическая мощность — это площадь квадрата, а реальная мощность соответствует границе голубой фигуры. FF — это отношение площади голубой фигуры к площади суммы голубой и красной фигур. Можно сказать, что чем больше FF, тем меньше потери в элементе из-за внутреннего сопротивления.

Коэффициент заполнения ВАХ может также использоваться для определения сопротивления солнечного элемента.

Коэффициент заполнения ВАХ (FF) = (Vmpp x Impp) / (Voc x Isc)

где:
Vmpp = напряжение в точке максимальной мощности (ТММ)
Impp = ток в ТММ
Voc = напряжение холостого хода
Isc = ток короткого замыкания

График ниже иллюстрирует ВАХ элементов c различным коэффициентом заполнения.

Как видно, обе кривые имеют одинаковые Voc и Isc, однако элемент c меньшим FF (нижний график) вырабатывает меньше мощности в ТММ. Обычный человек может быть легко обманут замерами только тока КЗ и напряжения ХХ. На eBay и youtube.com есть много предложений, где продавцы измеряют эти 2 параметра у модулей c поломанными элементами и уверяют, что модуль работает «как целый».

При производстве каждый солнечный элемент тестируется и при этом измеряется его ВАХ и FF. Если fill factor меньше 0,7, то элемент классифицируется как Grade B и используется для продажи «самоделкиным» или производителям супер-дешевых модулей (которые должны уведомлять покупателей, что модули сделаны из низкокачественных элементов — однако на практике недобросовестные продавцы и производители этого не делают).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *