Слънчева батерия
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Слънчева батерия (наричана също фотоклетка, фотоелемент, фотоволтаична клетка, слънчева клетка, слънчев елемент) е полупроводниково устройство, което преобразува фотоните (светлината) в електричество. По правило устройството изпълнява две функции: 1. Фотогенерация на токоносители (електрони и електронни дупки) в светлинно-абсорбиращия материал и 2. Разделяне на токоносителите (за предпочитане към проводящ контакт, който да проведе електрическите заряди). Това преобразуване се нарича фото(волтаичен) ефект и изследванията в областта на слънчевите батерии са предмет на фотоволтаиката.
Най-общата конфигурация на такова устройство, първо поколение фотоволтаик, се състои от разположен на голяма площ еднослоен p-n диод (диод с P-N преход), който при наличие на слънчева светлина е способен да генерира използваема електрическа енергия. Тези батерии са типично направени от силициев p-n преход. Второто поколение фотоволтаични материали се основава на многослойни p-n диоди. Всеки слой е проектиран да абсорбира успешно светлинни вълни с по-голяма дължина (по-малка енергия), поглъщайки повече от слънчевия спектър и увеличавайки количеството на усвоената енергия. Третото поколение фотоволтаици е много различно от другите две и е добре известно като полупроводниково устройство, което не се базира на традиционния p-n преход с разделяне на токоносителите. Тези нови устройства включват батерии от органични полимери, фотоелектрохимични батерии и слънчеви батерии с полупроводников нанокристал.
Слънчевите батерии имат много приложения. Те са подходящи за случаите, при които няма на разположение електрическа енергия от мрежата (отдалечени райони), спътници на орбита около земята, калкулатори, радиотелефони за отдалечена връзка, както и съоръжения за изпомпване на вода. Слънчевите батерии под формата на модули или слънчеви панели) на покривите на сградите могат да бъдат свързани към електрическата мрежа посредством инвертор.
Съдържание |
[редактиране] Етимология
Прилагателното "фотоволтаична" е образувано от гръцката дума фотос, означаваща светлина, и от името на италианския физик Алесандро Волта, на който е наименувана и единицата за измерване на електрическо напрежение волт. Понятието буквално означава светлинноелектрична.
[редактиране] История
Фотоволтаичният ефект е за първи път открит през 1839 г. от френския физик А.Е.Бекерел. Първата слънчева батерия обаче е построена едва през 1883 г. от Чарлз Фритс, който покрива полупроводника селен с изключително тънък слой злато, за да формира връзките. Устройството било само с 1 % ефективност. През 1946 г. Ръсел Оул патентова съвременната слънчева батерия.
[редактиране] Устройство
На фигурата в ляво е изобразена типична кристално-силициева слънчева батерия. Електрическият ток, получен в полупроводника, се провежда през контактите на предната и задната страни на батерията. Контактите на горната част, която трябва да пропуска светлината, са направена от сравнително далечно разположени един спрямо друг тънки метални ленти, обичайно наричани палци, които захранват с ток по-голямата тоководеща шина. Батерията е покрита с тънък слой диелектричен материал - противоотражателно покритие, което минимизира отражението на светлината от горната повърхност.
Когато върху слънчевата батерия попадне светлина, енергията на фотоните генерира двойки електрон-дупка от двете страни на P-N прехода. Електроните дифундират през P-N прехода към по-ниско енергийно ниво. Дупките дифундират в обратна посока. Докато светлината облъчва батерията, продължават да се формират нови двойки електрон-дупка. Поради това, че електроните продължават да дифундират, в емитера се образува отрицателен заряд, както и съответстващ положителен заряд в базата. P-N преходът разделя електроните от дупките и преобразува тока генериран от преходи между квантовите енергийни нива в електрически ток по протежение на полупроводника. Ако се направи електрическа верига между емитера (N-слоя) и базата (P-слоя), ще протече ток. Токът продължава да тече, докато слънчевата батерия е осветена.
[редактиране] Теория
[редактиране] Светлинно генериране на токоносители
Когато фотон попадне върху парче силиций, може да се случи едно от две неща. Първо фотонът може да премине през силиция. Това най-общо се случва, когато енергията на фотона е по-малка от енергията за прескачане на токоносител от валентно квантово ниво до проводящо квантово ниво (бариерна енергия) в силициевия полупроводник. Второто нещо, което може да се случи е фотонът да бъде абсорбиран от полупроводника. Принципно това става, когато енергията на фотона е по-голяма от бариерната енергия (разлика в квантовите нива на атома). Когато един фотон е погълнат, неговата енергия се отдава на електрон в кристалната решетка. Обичайно този електрон се намира във валентната зона и е здраво свързан в ковалентни връзки между съседните атоми и следователно не е свободен. Отдадената му енергия от фотона го възбужда до проводящото енергийно ниво, с което електронът се откъсва и може да се движи свободно в полупроводника. Ковалентната връзка, от която е освободен електрона, остава незаета, или т. нар. „дупка“. Наличието на незапълнена ковалентна връзка позволява на свързаните електрони на съседни атоми да прескачат в дупката, оставяйки друга такава след себе си и по този начин дупката може да се придвижи в обема на пластината. Така може да се каже, че погълнатият фотон създава мобилна двойка електрон-дупка.
Отделният фотон би трябвало да има енергия, по-голяма от енергията за възбуждане на електрона в проводимата зона. Слънчевият честотен спектър обаче отговаря на спектъра на абсолютно черно тяло при ~6000 K, поради което, повечето от слънчевата радиация достигаща Земята, се състои от фотони с енергии, по-големи от енергията за прехода на електрона във възбудено състояние. Тези високоенергийни фотони се поглъщат от слънчевата батерия, но разликата в енергията между тези фотони и енергията на прехода (преход към възбудено състояние на електроните) се превръща в топлинна, а не в полезна електрическа енергия (поради вибрации на електроните в кристалната решетка - наречени фонони).
[редактиране] Еквивалентна схема на слънчева батерия
За да се разбере поведението на слънчевата батерия, е полезно да се създаде електрически еквивалентен модел, базиран на дискретни електрически елементи, чието поведение е добре познато. Идеалната слънчева батерия се моделира като източник на постоянен ток, свързан паралелно с диод. На практика никоя слънчева батерия не е идеална и към модела се прибавят съпротивителни елементи, свързани в паралел и последователно. Така се получава еквивалентната схема на слънчевата батерия, показана вляво.
[редактиране] Свързване към външен товар
Както беше споменато по-горе, от двете p-тип и n-тип страни на слънчевата батерия са разположени омични контакти метал-полупроводник и електродите са свързани към външен товар. Електроните, създадени в n-полупроводника (пп) или събрани от p-n прехода и дифундирали в n-пп, се придвижват по външния проводник, захранват товара и достигат до контакта метал-p-полупроводник. Тук те рекомбинират с дупките, които са създадени от двойка електрон-дупка или са дифундирали през p-n - прехода от n-пп.
[редактиране] Взаимно свързване и модули
Обикновено слънчевите батерии са електрически свързани и комбинирани в модули или слънчеви панели. Слънчевите панели имат защитен стъклен екран в предната част и са капсулирани (със смола, колофон) в задната част, за да пазят електрониката от външни влияния (дъжд,град, влага и др.). Обикновено слънчевите батерии са свързани последователно, така че техните напрежения се събират.
[редактиране] Силицият като фотоволтаичен материал
Има два основни вида твърд силиций, аморфен и кристален. Съществуват разнообразие от наименования за кристалната структура на силиция: поликристален, микрокристален, монокристален и др., това се отнася до вида на кристалната структура, от която е изградено твърдото тяло. Слънчевите батерии могат да бъдат направени от всички тези видове силиций. Най-използван е поликристалният силиций.
[редактиране] Производство на силициева слънчева батерия
Поради това, че силициевите слънчеви батерии са полупроводникови устройства, те имат същите производствени технологии и експлоатационни характеристики като останалите полупроводникови устройства, например компютърните чипове. При слънчевите батерии строгите изисквания за чистота и качествения контрол на полупроводника са леко занижени. Най-добър пазарен успех напоследък имат p-пп поликристалните силициеви батерии с печатни електрически контакти. От монокристалните силициеви подложки, каквито се използват за направа на чипове, могат да бъдат направени отлични високоефективни слънчеви батерияи, но те са твърде скъпи за производство в по-голям мащаб. Така, много от фотоволтаичния силиций е от изхабен материал (материал за преработване) от микроелектронната индустрия. Поликристалните силициеви подложки са направени от блок силиций чрез рязане със струна (тел) на тънки шайби, 0,25 до 0,3 mm. Подложките обикновено са леко обогатени като p-тип. За да се направи слънчева батерия от p-тип подложка, n-тип материал се легира чрез дифузия на предната страна на подложката, създавайки p-n преход няколко микрона под повърхността. След това се нанасят противоотражателни покрития, които увеличават количеството светлина абсорбирана от слънчевата батерия. Силициевият нитрид като антиотражателно покритие постепенно бива заменен през изминалото десетилетие от титанов диоксид, поради неговата отлична пасивация на повърхността. Покритието от титанов диоксид предотвратява рекомбинацията на токоносители на повърхността на слънчевата батерия. Слоят се нанася чрез плазмено-химичен метод и е с няколко стотин нанометра дебелина (няколко десети от микрона). Някои слънчеви батерии също имат текстуризирани предни повърхности, които служат като антиотражателни покрития, служещи да увеличат абсорбираната от батерията светлина. След това подложката се метализира, като на задната повърхност се прави пълна метализация, а на предната страна се прави контактна мрежа от тънки и дебели тоководещи шини, направени по печатната технология със сребърна паста. Задният контакт е направен с отпечатване на метална паста, обикновено алуминий. След това металните електроди се нуждаят от топлинно обработване или "синтероване" за да се осъществи Омичния контакт със силиция. След като металните контакти са направени, слънчевите батерии се свързват последователно (и/или в паралел) чрез плоски проводници и се монтират (събират) в модули или "слънчеви панели". Слънчевите панели имат защитен екран от закалено стъкло на предната страна и полимерна капсулация на гърба.
[редактиране] Ефективност на преобразуването на слънчевата енергия
Типичната ефективност на модула на комерсиално разпространените печатни поликристални силициеви слънчеви батерии е около 12 %. Ефективността обаче се променя от 6 % при аморфните силициеви слънчеви батерии до 30 % и по-висока при многопреходните (с много p-n преходи) лабораторни батерии (обект на научни изследвания). Ефективността на преобразуване на енергия на слънчевия модул (или само ефективност - КПД) е отношението на максималната изходна електрическа мощност, разделена на входната светлинна мощност при "стандартни" тестови условия. "Стандартната" слънчева радиация (известна още като "въздух маса 1,5 спектър") има плътност на мощността 1000 W/m2. Така типичен слънчев панел с площ 1 m2 директно под пряка слънчева светлина ще произвежда мощност от максимум 120 W. За да има полза от генерираната енергия, електричеството трябва да зарежда акумулатори или да се включи към стандартната електрическа мрежа чрез инвертори. В независимите системи (несвързани с мрежата) за запазване на енергията, която не може да се използва веднага, се използват акумулатори.
Бележка: Типична слънчева батерия с размери 4 cm2 произвежда електрическа енергия приблизително 0,4 до 0,5 V при 6 mA.
[редактиране] Изплащане на слънчевите източници на възстановяема енергия
Има общоприето, но погрешно твърдение, че слънчевите батерии никога не могат да произведат повече енергия отколкото струва направата им. При очакван живот на слънчевия панел около 40 години, изплащането чрез произведена енергия на последния е от 1 до 30 години (обикновено под 5) в зависимост от типа и къде се използва. Това означава, че слънчевите батерии могат да се изплатят многократно (от 6 до над 30 пъти) в срока на експлоатацията им.
