Fotovoltaiska halvledarenergiomvandlare (fotoceller)
Fotoceller är elektroniska enheter utformade för att omvandla energin från fotoner till energin av en elektrisk ström.
Historiskt sett uppfanns den första prototypen av den moderna fotocellen Alexander G. Stoletov i slutet av 1800-talet. Han skapar en enhet som fungerar på principen om extern fotoelektrisk effekt. Den första experimentinstallationen bestod av ett par parallella platta metallplåtar, varav den ena var gjord av nät för att låta ljus passera och den andra var solid.
En konstant spänning applicerades på arken, som kunde justeras i intervallet 0 till 250 volt. Spänningskällans positiva pol var ansluten till gallerelektroden och den negativa polen till det fasta materialet. En känslig galvanometer ingick också i schemat.
När ett massivt ark belystes med ljus från en ljusbåge, galvanometernål avböjt, vilket indikerar att en likström genereras i kretsen trots att det finns luft mellan skivorna.I experimentet fann forskaren att storleken på "fotoströmmen" beror på både den applicerade spänningen och ljusets intensitet.
För att komplicera installationen placerar Stoletov elektroderna inuti en cylinder från vilken luft evakueras och ultraviolett ljus matas till den känsliga elektroden genom ett kvartsfönster. Så det var öppet fotoeffekt.
Idag, baserat på denna effekt, fungerar det fotovoltaiska omvandlare… De reagerar på elektromagnetisk strålning som faller på ytan av elementet och omvandlar den till en utspänning. Ett exempel på en sådan omvandlare är solcell… Samma princip används av ljuskänsliga sensorer.
En typisk fotocell består av ett skikt av högresistans ljuskänsligt material som är inklämt mellan två ledande elektroder. Som solcellsmaterial för solceller används det ofta halvledare, som, när den är fullt upplyst, kan ge 0,5 volt vid utgången.
Sådana element är mest effektiva ur synvinkel genererad energi, eftersom de tillåter direkt enstegsöverföring av fotonenergi — i elektrisk ström... Under normala förhållanden är en verkningsgrad på 28 % normen för sådana element.
Här uppstår en intensiv fotoelektrisk effekt på grund av inhomogeniteten hos arbetsmaterialets halvledarstruktur.Denna inhomogenitet erhålls antingen genom att doppa halvledarmaterialet som används med olika föroreningar, och därigenom skapa en pn-övergång, eller genom att koppla samman halvledare med olika gapstorlekar (energier vid vilka elektroner lämnar sina atomer) – på så sätt erhåller en heteroövergång, eller genom att välja en sådan kemikalie sammansättningen av halvledaren som en bandgap-gradient—en graderad-gap-struktur—uppträder inuti. Som ett resultat beror effektiviteten hos ett givet element på inhomogenitetsegenskaperna som erhålls inuti en viss halvledarstruktur såväl som fotokonduktiviteten.
För att minska förlusterna i en solcell används ett antal bestämmelser vid tillverkningen av dem. För det första används halvledare vars bandgap är optimalt just för solljus, till exempel föreningar av kisel och galliumarsenid. För det andra förbättras strukturens egenskaper genom optimal dopning. Företräde ges åt heterogena och graderade strukturer. Den optimala tjockleken på skiktet, djupet på p-n-övergången och de bästa parametrarna för kontaktnätet väljs.
Kaskadelement skapas också, där flera halvledare med olika frekvensband fungerar, så att ljuset efter att ha passerat genom en kaskad kommer in i nästa etc. Idén att bryta ner solspektrumet ser lovande ut, så att var och en av dess regioner omvandlas från separata sektioner av fotocell.
Det finns tre huvudtyper av fotovoltaiska celler på marknaden idag: monokristallint kisel, polykristallint kisel och tunnfilm.Tunna filmer anses vara de mest lovande eftersom de är känsliga även för ströljus, kan placeras på böjda ytor, är inte lika spröda som kisel och är effektiva även vid höga driftstemperaturer.