Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии

Иногда термин «солнечный элемент» используется для установок, которые поглощают энергию из солнечного света. Такие установки называются «солнечными панелями», или «солнечными батареями». В солнечной энергетике для получения электрической энергии широко применяют фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Несколько соединенных между собой преобразователей образуют солнечную батарею .

Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. В местах переходов или неоднородностей материала существуют внутренние электростатические поля. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник-полупроводник или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А·М^-2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт·М^-2. Промышленные фотоэлементы или солнечные элементы имеют КПД от 10 до 20%. При средней облученности могут вырабатывать от 1 до 2 кВт электроэнергии в день с 1 м².

Рассмотрим вентильный фотоэлектрический генератор. Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).

Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую. Впервые фотоэлектрический эффект был обнаружен французским физиком А. Беккерелем в 1839 году. Однако его не применяли до 1883 года, когда Карл Фритс создал первые солнечные элементы. Он покрыл полупроводниковый селен очень тонким слоем золота, образовав соединения. Но установка была эффективна лишь на 1%. Позже русский физик Александр Столетов сделал первый солнечный элемент, основанный на внешнем фотоэлектрическом эффекте (открытом Генрихом Герцем в начале 1887 года). Альберт Эйнштейн объяснил значение фотоэлектрического эффекта в 1905 году, за что и получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году. Рассел Оль запатентовал современное соединение полупроводникового солнечного элемента в 1946 году. Оно было обнаружено во время работы над серией открытий, которые, в конечном счете, и привело к созданию транзистора.

Применение полупроводников с различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты. Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем. Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении. В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается не скомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионов. Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого, направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п. Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний фотоэффект – образуются пары зарядов электрон-дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея возможности пройти сквозь запирающий слой устремляются в нее. Дырки же легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация – в цепи начинает протекать ток. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные и др. Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов представлена в таблице 1

Таблица 1. Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов