Convertirea fotoelectrică a energiei solare are loc în fotocelule sau celule solare - dispozitive semiconductoare, în care există o separare spațială a suporturilor de încărcare pozitive și negative atunci când semiconductorul absoarbe radiațiile electromagnetice solare.
Principalul domeniu de aplicare a fotocelulelor în prezent este sateliții de pământ artificiali, stațiile de comunicații la distanță, farurile marine etc. Se presupune că în viitor vor fi utilizate în zonele rurale din țările în curs de dezvoltare cu un climat cald.
Photocell-urile rămân convertoare costisitoare. Costul unei fotocelule este de aproximativ 4 USD pe 1 W de capacitate maximă instalată, costul echipamentului auxiliar fiind de 2 USD pe 1 W. Durabilitate - 20 de ani. În aceste condiții, costul energiei generate este de 0,16 dolari pe kilowatt-oră (cu o iradiere de 5,5 kWh / m2 pe zi sau aproximativ 0,5 kW / m²).
Dispozitivul și principiul de acțiune al fotocelulelor vor fi luate în considerare utilizând exemplul celei mai utilizate fotocelule pe bază de siliciu. Celulele fotoelectrice de siliciu sunt realizate prin difuzarea fosforului din mediul gazos într-un singur cristal de tip silicon p, obținându-se un strat subțire cu n-conductivitate, figura 2.4.1.
Crystal 300-400 microni siliciu gros dopat cu bor, care p - conductivitatea pe de o parte supusă corodare chimică, prin care un strat subțire de material este format cu tipul n conductivitate prin difuzia donatori (fosfor) în stratul de suprafață. Pentru acest cristal este încălzit într-o cameră de vid la 1000 ° C sub atmosferă de azot, cu adaos de acid clorhidric de fosfor.
Contactele electrice sunt realizate de fotolitografie. Inițial, pentru a crea un contact de mică rezistență cu siliciu este evaporată și titan depus este 3, apoi un strat subțire de paladiu 4, titan, pentru a preveni interacțiunea chimică cu argint, apoi se depune stratul de argint 5 pentru a obține ochiuri conductoare.
Ultima în procesul de evaporare în vid se aplică straturi antireflexive - pulverizare din aluminiu. Se aplică un contact metalic electric 6.
Ris.2.4.1. Fotocelule. Principiul fotocelulei semiconductoare.
Astfel, în cristalul semiconductor au fost create două regiuni: cu n-conductivitate (conductivitate electronică) și conductivitate p (conductivitatea găurilor), Fig. 2.4.1. În regiunea p, concentrația principalilor purtători ai găurilor curente este mult mai mare decât concentrația transportatorilor minoritari, a electronilor și viceversa în regiunea n. Pe ambele părți ale interfeței dintre regiuni există concentrații inegale de electroni și găuri. Aceasta determină mișcarea lor de difuzie spre o concentrație mai scăzută. Electronii, trecând în regiunea p, lasă în urma lor ioni încărcați pozitiv, care nu pot lua parte la conductivitate, deoarece sunt rigid conectați cu rețeaua cristalină. Gaurile, trecând în regiunea n, lasă ioni încărcați negativ, care sunt, de asemenea, conectați cu zăbrele.
Atunci când fotocelula este iradiată cu un flux luminos sau când este încălzită, în material se găsesc alte suporturi libere. Sub acțiunea câmpului electric al joncțiunii pn, ei se mișcă prin intersecția. Dacă circuitul este închis, un curent proporțional cu fluxul de lumină va curge prin el. Astfel, fotocelula în sine este sursa EDS.
Câmpul intern al unei fotocelule de siliciu creează o diferență de potențial de 0,5 V și permite o densitate de curent de până la 200 A / m² la o radiație solară de 1 kW / m².
Volt-ampere caracteristică fotocelulei:
eficiență din fotocelula este de 10¸20%. Fotocunele sunt conectate în serie, formând module. modulele sunt conectate în paralel, formând baterii. De obicei, modulul este format din 30-35 de fotocelule. O astfel de conexiune are dezavantaje. Dacă un element eșuează sau iluminează neuniform, acesta trece în modul diodic cu părtinire înainte sau înapoi și se poate supraîncălzi. Pentru a preveni defectarea avalanșelor, diodele de șunt sunt instalate paralel cu fotocelulele. Fotoculturile sunt plasate într-un material de umplutură inert sub un capac transparent, etanș, impermeabil.
Principalele cerințe tehnice pentru fotocelule:
· Materialul de pornire trebuie să fie chimic pur, cu proprietăți stabile.
· Fotocunturile ar trebui să fie produse în serie și să aibă un cost minim.
· Durata de viață nu trebuie să fie mai mică de 20 de ani în condițiile impactului asupra mediului la temperaturi cuprinse între -30 și + 200 ° C. Contactele electrice trebuie să fie stabile și protejate de coroziune și umiditate.
· Distrugerea unui element nu trebuie să ducă la defectarea întregului sistem (paralel, conexiune serială, diode de șunt).
· Modulele prefabricate trebuie să fie transportabile.
Celulele foto pot fi obținute prin contactarea metalului cu un semiconductor. În acest scop, metalul este depus sub formă de film subțire pe materialul de bază și se formează o joncțiune pn. Dezavantajul acestui design este reflectarea bună a suprafeței metalice și pierderile mari de recombinare în zona de tranziție. La fabricarea unei astfel de fotocelule, se formează un strat subțire de oxid între metal și semiconductor, care este un izolator. În acest fel pot fi obținute fotocelule cu proprietăți bune (metal-oxid-semiconductor sau metal-izolator-semiconductor). Electrolitul lichid poate fi utilizat ca suprafața frontală a fotocelulei. Acest lucru oferă un bun contact electric, dar diferă în complexitatea de fabricație, KPD scăzut. și contaminarea rapidă.
Unele materiale organice pe bază de carbon pot avea proprietăți semiconductoare. Lacuritatea comparativă a materialelor face ca crearea unor astfel de fotocelule să fie promițătoare, dar până în prezent KPD-ul lor. este foarte scăzută (aproximativ 1%).
În plus față de siliciul pentru producerea de fotocelule se utilizează arsenid de galiu (GaAs) și sulfură de cadmiu (CdS). Camerele foto bazate pe arsenid de galiu creează EDS maxim pn joncțiune de aproximativ 0,9 V la KPD. până la 12%.
Celulele foto pe bază de sulfură de cadmiu pot fi fabricate prin depunerea în vid a peliculelor subțiri de compuși de cupru. Joncțiunea pn este ușor distrusă datorită difuziei ionilor de cupru.
Pentru aceste fotocelule, E.D.S. este egal cu 0,5 V și KPD. până la 10%.
Există modele de celule verticale multi-tranzitive cu o conexiune serială sau paralelă a tranzițiilor. Într-o coloană, până la 100 de tranziții similare sunt conectate în serie sau în paralel. Lumina pătrunde prin suprafețele laterale ale tranzițiilor. EMF la ieșire este suma lui E.D.S. elemente individuale.
Elemente rutiere siliconice utilizate pe scară largă datorită tehnologiei complexe de creștere a cristalelor, tăierii și prelucrării ulterioare. Prin urmare, tehnologia de obținere a peliculelor subțiri de siliciu prin pulverizarea siliciului de tip vapori la o temperatură de 2620 ° C este de interes.
Fața celulei fotocelule este îndeplinită astfel încât radiația reflectată de suprafață să revină la ea (suprafețe texturate), Figura 2.4.2.
Pentru o utilizare mai eficientă a materialului activ scump al fotocelulelor se utilizează concentratori, Fig. 3.4.3. Creșterea fluxului de radiații îmbunătățește caracteristicile fotocelulei dacă temperatura este menținută aproape de temperatura ambiantă (sistemul de răcire). Concentrația fluxului solar se realizează prin intermediul unor reflectori parabolici liniari, precum și prin lentile, oglinzi, prisme.
Ris.2.4.2. Suprafața texturată a fotocelulei (crescută).
Ris.2.4.3. Concentratorul radiației solare pentru o fotocelula.
Ris.2.4.4. Circuitul electric al încărcătorului utilizând un convertor fotoelectric (de ex. 1).
Pentru a obține un coeficient de concentrație mai mic de 5, se utilizează sisteme care nu urmăresc soarele, care utilizează energia atât a radiațiilor directe, cât și a celor radiale împrăștiate.
De la alți convertori de energie solară la energie electrică poate fi numit:
· Dispozitive termoelectrice, cum ar fi termocuplurile, în care E.D.S. apare într-un circuit format din conductori diferiți, contactele dintre care au temperaturi diferite,
· Generatoare termoelectrice cu încălzirea joncțiunilor semiconductoare etc.
Eficiența energetică a unor astfel de sisteme este mică.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: