Kaip veikia saulės elementas?

Saulei šviečiant puslaidininkio PN sandūrą, susidaro nauja skylė-elektronų pora. Veikiant elektriniam laukui PN sandūroje, fotogeneruotos skylės teka į p sritį, o fotogeneruoti elektronai – į n sritį, o srovė susidaro įjungus grandinę. Taip veikia fotoelektrinio efekto saulės elementai.

 

Yra du saulės energijos gamybos būdai: vienas yra šviesos-šilumos-elektros konvertavimo režimas, o kitas - tiesioginio šviesos-elektros konvertavimo režimas.

 

Šviesos-šilumos-elektros konvertavimas:

 

Taikant šviesos-šilumos-elektros konvertavimo metodą, elektros energija gaminama naudojant saulės spinduliuotės generuojamą šilumos energiją, kurią saulės kolektorius paprastai paverčia darbinės terpės garais, o tada varo turbiną, kad generuotų elektrą.

 

Pirmasis procesas yra šviesos ir šilumos konversijos procesas; Pastarasis procesas yra šilumos ir elektros energijos konversijos procesas, kuris yra toks pat kaip įprasta šiluminės energijos gamyba. Saulės šiluminės energijos gamybos trūkumas yra tai, kad efektyvumas yra labai mažas, o savikaina labai didelė, o skaičiuojama, kad jos investicijos yra bent 5–10 kartų brangesnės nei įprastų šiluminių elektrinių.

 

1000 MW saulės šiluminei elektrinei reikia investuoti nuo 2 iki 2,5 milijardų JAV dolerių, o vidutinė 1 kW investicija yra nuo 2000 iki 2500 JAV dolerių. Todėl jis gali būti naudojamas tik nedideliu mastu ypatingomis progomis, o didelio masto naudojimas yra ekonomiškai neekonomiškas ir negali konkuruoti su įprastomis šiluminėmis elektrinėmis ar atominėmis elektrinėmis.

 

Tiesioginis optinis konvertavimas į elektrą:

 

Saulės elementų energija gaminama pagal konkrečių medžiagų fotoelektrines savybes. Juodieji kūnai (pavyzdžiui, saulė) skleidžia skirtingo bangos ilgio (atitinkančius skirtingus dažnius) elektromagnetines bangas, tokias kaip infraraudonoji, ultravioletinė, matoma šviesa ir kt.

 

Kai šie spinduliai atsitrenkia į skirtingus laidininkus ar puslaidininkius, fotonai sąveikauja su laisvais elektronais laidininkuose ar puslaidininkiuose, kad sukurtų elektros srovę. Kuo trumpesnis spindulio bangos ilgis, tuo didesnis dažnis, tuo didesnė energija, pavyzdžiui, ultravioletinių spindulių energija yra daug didesnė nei infraraudonųjų spindulių.

 

Tačiau ne visus spindulių energijos bangos ilgius galima paversti elektra, verta paminėti, kad fotoelektrinis efektas nepriklauso nuo spindulio intensyvumo, tik kai dažnis pasiekia arba viršija slenkstį, galintį sukelti fotoelektrinį efektą, srovė gali būti generuojama. .

 

Didžiausias šviesos bangos ilgis, dėl kurio puslaidininkis gali sukelti fotoelektrinį efektą, yra susijęs su puslaidininkio juostos tarpo pločiu, pvz., kristalinio silicio juostos tarpo plotis kambario temperatūroje yra apie 1,155 eV, todėl šviesos bangos ilgis turi būti mažesnis. nei 1100 nm, kad būtų sukurtas kristalinio silicio fotoelektrinis efektas.

 

Saulės elementų energijos gamyba – tai atsinaujinantis ir aplinkai nekenksmingas energijos gamybos būdas, kurio metu elektros energijos gamybos procese neišsiskiria šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, ir neteršiama aplinka. Pagal gamybos medžiagas skirstomos į silicio pagrindo puslaidininkines baterijas, CdTe plonos plėvelės baterijas, CIGS plonos plėvelės baterijas, dažams jautrias plonasluoksnes baterijas, organinių medžiagų baterijas ir pan.

 

Silicio elementai skirstomi į monokristalinius, polikristalinius ir amorfinio silicio plonasluoksnius elementus. Svarbiausias saulės elementų parametras yra konversijos efektyvumas. Laboratorijoje sukurtuose silicio pagrindu pagamintuose saulės elementuose monokristalinio silicio elementų efektyvumas yra 25.0%, polikristalinio silicio elementų – 20,4%, CIGS plonasluoksnių elementų – 19,6%, o silicio elementų – 19,6%. CdTe plonasluoksnės ląstelės yra 16,7%. Amorfinio silicio (amorfinio silicio) plonasluoksnių elementų efektyvumas yra 10,1 proc.

 

Saulės elementas yra savotiškas fotoelektrinis elementas, galintis konvertuoti energiją, o jo pagrindinė struktūra sudaryta iš P tipo ir N tipo puslaidininkių. Pati pagrindinė puslaidininkio medžiaga yra „silicis“, kuris yra nelaidus, tačiau jei puslaidininkis sumaišomas su įvairiomis priemaišomis, iš jo galima pagaminti P ir N tipo puslaidininkius, o tada P tipo puslaidininkiai turi skylė (P tipo puslaidininkiuose trūksta neigiamai įkrauto elektrono, kuris gali būti vertinamas kaip daugiau nei teigiamas krūvis).

 

Yra laisvųjų elektronų potencialų skirtumas su N tipo puslaidininkiu generuoti srovę, todėl šviečiant saulei šviesos energija sužadins elektronus silicio atome, bus generuojama elektronų ir skylių konvekcija, o šie elektronai ir skyles paveiks įmontuotas potencialas, atitinkamai pritrauktas N tipo ir P tipo puslaidininkių ir surinktas abiejuose galuose. Šiuo metu, jei išoriniai elektrodai yra sujungti, kad sudarytų kilpą, tai yra saulės elementų energijos gamybos principas.

 

Paprasčiau tariant, saulės fotovoltinės energijos gamybos principas yra saulės elementų naudojimas, siekiant sugerti 0,4 μm ~ 1,1 μm bangos ilgio (silicio kristalams) saulės šviesą, o šviesa tiesiogiai paverčiama elektros energija ir yra energijos gamybos būdas. .

 

Išplėstinė informacija:

 

Pagrindinės saulės elementų charakteristikos yra saulės elementų poliškumas, saulės elementų veikimo parametrai ir saulės elektrinių aplinkos apsaugos baterijų voltamperometrinės charakteristikos. Konkretus paaiškinimas yra toks

 

1, saulės elementų poliškumas

Silicio saulės elementai paprastai gaminami iš P+/N tipo struktūros arba N+/P tipo struktūros, P+ ir N+, nurodančios laidžios puslaidininkinės medžiagos tipą saulės elemento priekiniame šviesos sluoksnyje; N ir P reiškia laidžių puslaidininkinės medžiagos tipą saulės elemento gale. Saulės elemento elektrinės savybės yra susijusios su puslaidininkinės medžiagos, naudojamos elementui gaminti, savybėmis.

 

2. Saulės elementų veikimo parametrai

Saulės elemento veikimo parametrus sudaro atviros grandinės įtampa, trumpojo jungimo srovė, maksimali išėjimo galia, užpildymo koeficientas ir konversijos efektyvumas. Šie parametrai yra saulės elementų našumo matavimo ženklas.

 

3 saulės elementų voltamperinės charakteristikos

PN jungties saulės elementas susideda iš paviršiuje suformuotos seklios PN jungties, juostelės ir piršto formos priekinio ominio kontakto, galinio ominio kontakto, dengiančio visą galinį paviršių, ir antirefleksinio sluoksnio priekyje.

 

Kai akumuliatorius yra veikiamas saulės spektro, fotonai, kurių energija mažesnė už juostos tarpo plotį Eg, neprisideda prie baterijos išėjimo. Fotonai, kurių energija didesnė už juostos tarpą (Pvz.), suteikia energijos (Eg) prie akumuliatoriaus išėjimo, o mažesnė nei (Eg) energija sunaudojama kaip šiluma. Todėl projektuojant ir gaminant saulės elementus būtina atsižvelgti į šios šilumos dalies įtaką akumuliatoriaus stabilumui ir tarnavimo laikui.