4.3.1. Принцип функционирования фотоэлектрических ячеек. Конструкция фотоэлектрических батарей

Солнечные фотоэлектрические установки. Фотоэлектрическая установка - это устройство, с помощью которого солнечный свет пре­образуется в электрический ток. Фотоэлектрическая ячейка - это чаще всего кремниевая пластина, одна сторона которой заряжена отрица­тельно, а другая - положительно, т е. образуется p-n переход. Когда свет падает на такую ячейку, электроны начинают перемещаться из от­рицательной в положительную область.

С помощью внешнего соединения электрическая цепь замыкается. Возникает постоянный ток (рис. 32). При полном солнечном излучении (примерно 1 000 Вт/м2) на фотоэлектрическую ячейку размером 10*10 см

приходится около 10 Вт энергии. В зависимости от качества изготовле­ния ячейка может иметь мощность от 1 до 1,5 вт, что соответствует КПД, равному 10-15 %. Мощности такой ячейки едва хватит для одного кар­манного калькулятора. Поэтому для производства электрического тока фотоэлектрические ячейки соединяются в модули. Максимальная мощ­ность ячеек и модулей исчисляется в ватт-пиках (Wp). Эта номинальная мощность определяется при вертикальном падении солнечного излуче­ние в 1 000 Вт на 1 м2 при температуре ячейки 25 °С. При повышении температуры мощность увеличивается [Пивоварова, 3. И., 1998].

Почти 95 % всех существующих в настоящее время фотоэлек­трических ячеек изготавливаются из кремния. Кремний добывают из кварцевого песка, который также неисчерпаем, как и солнечный свет. Рассмотрим более подробно конструкцию и принцип действия фотоэ­лектрической ячейки. В тонком диске (~ 0,3 мм толщины) из кремния высокой чистоты при целенаправленном введении примесных атомов (например, бора или фосфора) образуется 2 слоя с различными элек­трическими свойствами. Если на этот элемент солнечной батареи по­падает свет, то световая энергия действует так, что носители зарядов (электроны) переходят из одного слоя в другой. на внешних контактах возникает напряжение приблизительно в 0,5 вольт; и затем при под­ключении к потребителю течет ток.

в то время как напряжение между клеммами элемента солнечной батареи является постоянным, величина тока, который поставляет эле­мент, зависит напрямую и от величины элемента и в особенности от характеристик падающего света. чтобы технически достигнуть инте­ресующего напряжения, в один ряд монтируются несколько элементов солнечной батареи. эти элементы впаиваются между стеклянным дис­ком (впереди) и пластмассовой пленкой (сзади). и тогда модуль эле­мента солнечной батареи готов [кундас, с. п., 2007].

кпД имеющихся ныне на рынке кристаллических элементов сол­нечной батареи находится в пределах ~ 15 %. Эти величины относятся к стандартным условиям. при увеличении температуры окружающей среды эффективность их понижается, поэтому фотоэлектрические па­нели должны хорошо проветриваться.

наряду кремнием для изготовления фотоэлектрических ячеек при­меняются и другие полупроводниковые материалы. некоторые уже нашли промышленное применение, другие находятся в стадии разра­ботки или испытания. Целью исследований в этой области является снижение высоких затрат при выработке фотоэлектричества, снижение стоимости полупроводникового материала или повышение КПД. Наи­более перспективным в этом направлении является аморфный кремний, а также полупроводниковые материалы, например на основе меди - индия - селена.