Halvleder fotovoltaiske energiomformere (fotoceller)
Fotoceller er elektroniske enheder designet til at omdanne fotoners energi til energien af en elektrisk strøm.
Historisk set blev den første prototype af den moderne fotocelle opfundet Alexander G. Stoletov i slutningen af det 19. århundrede. Han skaber en enhed, der fungerer efter princippet om ekstern fotoelektrisk effekt. Den første eksperimentelle installation bestod af et par parallelle flade metalplader, hvoraf den ene var lavet af mesh for at tillade lys at passere igennem, og den anden var solid.
En konstant spænding blev påført arkene, som kunne justeres i området fra 0 til 250 volt. Spændingskildens positive pol var forbundet til gitterelektroden og den negative pol til faststoffet. Et følsomt galvanometer var også inkluderet i ordningen.
Når et massivt ark blev belyst med lys fra en lysbue, galvanometer nål afbøjet, hvilket indikerer, at der genereres en jævnstrøm i kredsløbet på trods af, at der er luft mellem skiverne.I eksperimentet fandt videnskabsmanden ud af, at størrelsen af "fotostrømmen" afhænger af både den påførte spænding og intensiteten af lyset.
For at komplicere installationen placerer Stoletov elektroderne inde i en cylinder, hvorfra luft evakueres, og ultraviolet lys føres til den følsomme elektrode gennem et kvartsvindue. Så det var åbent fotoeffekt.
I dag virker det ud fra denne effekt solcelleomformere… De reagerer på elektromagnetisk stråling, der falder på overfladen af elementet og omdanner det til en udgangsspænding. Et eksempel på en sådan konverter er solcelle… Det samme princip bruges af lysfølsomme sensorer.
En typisk fotocelle består af et lag af lysfølsomt materiale med høj modstand, der er klemt mellem to ledende elektroder. Som fotovoltaisk materiale til solceller er det almindeligt anvendt halvleder, som, når den er fuldt oplyst, er i stand til at give 0,5 volt ved udgangen.
Sådanne elementer er mest effektive ud fra et synspunkt om genereret energi, da de tillader direkte et-trins overførsel af fotonenergi — i elektrisk strøm... Under normale forhold er en effektivitet på 28 % normen for sådanne elementer.
Her opstår en intens fotoelektrisk effekt på grund af inhomogeniteten af arbejdsmaterialets halvlederstruktur.Denne inhomogenitet opnås enten ved at dope det anvendte halvledermateriale med forskellige urenheder, hvorved der skabes en pn-junction, eller ved at forbinde halvledere med forskellige spaltestørrelser (energier, hvorved elektroner forlader deres atomer) – således opnår en heterojunction, eller ved at vælge et sådant kemikalie. sammensætning af halvlederen, som en båndgab-gradient - en gradueret-gab-struktur - optræder indeni. Som et resultat afhænger effektiviteten af et givet element af inhomogenitetsegenskaberne opnået inden for en bestemt halvlederstruktur såvel som fotokonduktiviteten.
For at mindske tab i en solcelle anvendes en række regler i deres fremstilling. For det første bruges halvledere, hvis båndgab er optimal kun for sollys, for eksempel forbindelser af silicium og galliumarsenid.For det andet forbedres strukturens egenskaber ved optimal doping. Præference gives til heterogene og graderede strukturer. Den optimale tykkelse af laget, dybden af p-n-krydset og de bedste parametre for kontaktgitteret vælges.
Der skabes også kaskadeelementer, hvor flere halvledere med forskellige frekvensbånd arbejder, så lyset efter at have passeret gennem den ene kaskade kommer ind i den næste osv. Idéen om at nedbryde solspektret ser lovende ud, så hver af dens regioner transformeres fra separat sektion af fotocelle.
Der er tre hovedtyper af fotovoltaiske celler på markedet i dag: monokrystallinsk silicium, polykrystallinsk silicium og tynd film.Tynde film anses for at være de mest lovende, fordi de er følsomme selv over for spredt lys, kan placeres på buede overflader, er ikke så skøre som silicium og er effektive selv ved høje driftstemperaturer.
Se også: Effektivitet af solceller og moduler