Φωτοβολταϊκοί μετατροπείς ενέργειας ημιαγωγών (φωτοκύτταρα)
Τα φωτοκύτταρα είναι ηλεκτρονικές συσκευές σχεδιασμένες να μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων σε ενέργεια ηλεκτρικού ρεύματος.
Ιστορικά, εφευρέθηκε το πρώτο πρωτότυπο του σύγχρονου φωτοκυττάρου Alexander G. Stoletov στα τέλη του 19ου αιώνα. Δημιουργεί μια συσκευή που λειτουργεί με βάση την αρχή του εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Η πρώτη πειραματική εγκατάσταση αποτελούνταν από ένα ζεύγος παράλληλων επίπεδων μεταλλικών φύλλων, το ένα από τα οποία ήταν κατασκευασμένο από πλέγμα για να επιτρέπει στο φως να περάσει και το άλλο ήταν συμπαγές.
Στα φύλλα εφαρμόστηκε σταθερή τάση, η οποία μπορούσε να ρυθμιστεί στην περιοχή από 0 έως 250 βολτ. Ο θετικός πόλος της πηγής τάσης συνδέθηκε με το ηλεκτρόδιο του δικτύου και ο αρνητικός πόλος στο στερεό. Στο σχέδιο συμπεριλήφθηκε επίσης ένα ευαίσθητο γαλβανόμετρο.
Όταν ένα συμπαγές φύλλο φωτίστηκε με φως από ηλεκτρικό τόξο, βελόνα γαλβανόμετρου εκτρέπεται, υποδεικνύοντας ότι δημιουργείται συνεχές ρεύμα στο κύκλωμα παρά το γεγονός ότι υπάρχει αέρας μεταξύ των δίσκων.Στο πείραμα, ο επιστήμονας διαπίστωσε ότι το μέγεθος του «φωτορεύματος» εξαρτάται τόσο από την εφαρμοζόμενη τάση όσο και από την ένταση του φωτός.
Περιπλέκοντας την εγκατάσταση, ο Stoletov τοποθετεί τα ηλεκτρόδια μέσα σε έναν κύλινδρο από τον οποίο εκκενώνεται ο αέρας και το υπεριώδες φως τροφοδοτείται στο ευαίσθητο ηλεκτρόδιο μέσω ενός παραθύρου χαλαζία. Άρα ήταν ανοιχτό εφέ φωτογραφίας.
Σήμερα, με βάση αυτό το αποτέλεσμα, λειτουργεί φωτοβολταϊκών μετατροπέων… Αντιδρούν στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που πέφτει στην επιφάνεια του στοιχείου και τη μετατρέπουν σε τάση εξόδου. Ένα παράδειγμα τέτοιου μετατροπέα είναι ηλιακό κύτταρο… Η ίδια αρχή χρησιμοποιείται από φωτοευαίσθητοι αισθητήρες.
Ένα τυπικό φωτοκύτταρο αποτελείται από ένα στρώμα φωτοευαίσθητου υλικού υψηλής αντίστασης που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο αγώγιμα ηλεκτρόδια. Ως φωτοβολταϊκό υλικό για ηλιακά κύτταρα, χρησιμοποιείται συνήθως ημιαγωγός, το οποίο, όταν φωτίζεται πλήρως, είναι ικανό να δώσει 0,5 βολτ στην έξοδο.
Τέτοια στοιχεία είναι πιο αποτελεσματικά από την άποψη της παραγόμενης ενέργειας, καθώς επιτρέπουν την άμεση μεταφορά ενέργειας φωτονίων σε ένα βήμα — σε ηλεκτρικό ρεύμα... Υπό κανονικές συνθήκες, η απόδοση 28% είναι ο κανόνας για τέτοια στοιχεία.
Εδώ, εμφανίζεται ένα έντονο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο λόγω της ανομοιογένειας της δομής ημιαγωγών του υλικού εργασίας.Αυτή η ανομοιογένεια επιτυγχάνεται είτε με ντόπινγκ του υλικού ημιαγωγών που χρησιμοποιείται με διαφορετικές ακαθαρσίες, δημιουργώντας έτσι μια διασταύρωση pn, είτε με τη σύνδεση ημιαγωγών με διαφορετικά μεγέθη κενού (ενέργειες στις οποίες τα ηλεκτρόνια αφήνουν τα άτομά τους) - έτσι λαμβάνεται μια ετεροσύνδεση, είτε επιλέγοντας μια τέτοια χημική ουσία σύνθεση του ημιαγωγού ότι μια κλίση διάκενου ζώνης - μια δομή διαβαθμισμένου κενού - εμφανίζεται μέσα. Ως αποτέλεσμα, η απόδοση ενός δεδομένου στοιχείου εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά ανομοιογένειας που λαμβάνονται μέσα σε μια συγκεκριμένη δομή ημιαγωγού καθώς και από τη φωτοαγωγιμότητα.
Για να μειωθούν οι απώλειες σε ένα ηλιακό στοιχείο, χρησιμοποιούνται ορισμένοι κανονισμοί στην κατασκευή τους. Πρώτον, χρησιμοποιούνται ημιαγωγοί των οποίων το διάκενο είναι βέλτιστο μόνο για το φως του ήλιου, για παράδειγμα ενώσεις πυριτίου και αρσενιδίου του γαλλίου.Δεύτερον, οι ιδιότητες της δομής βελτιώνονται με το βέλτιστο ντόπινγκ. Προτιμώνται οι ετερογενείς και διαβαθμισμένες δομές. Επιλέγεται το βέλτιστο πάχος του στρώματος, το βάθος της διασταύρωσης p-n και οι καλύτερες παράμετροι του πλέγματος επαφής.
Δημιουργούνται επίσης στοιχεία καταρράκτη, όπου λειτουργούν αρκετοί ημιαγωγοί με διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων, έτσι ώστε αφού περάσει από τον έναν καταρράκτη, το φως εισέρχεται στον επόμενο κ.λπ. Η ιδέα της αποσύνθεσης του ηλιακού φάσματος φαίνεται πολλά υποσχόμενη, ώστε καθένα από περιοχές μετασχηματίζονται από ξεχωριστό τμήμα φωτοκυττάρου.
Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων στην αγορά σήμερα: μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και λεπτή μεμβράνη.Οι λεπτές μεμβράνες θεωρούνται οι πιο υποσχόμενες γιατί είναι ευαίσθητες ακόμη και στο αδέσποτο φως, μπορούν να τοποθετηθούν σε καμπύλες επιφάνειες, δεν είναι τόσο εύθραυστες όσο το πυρίτιο και είναι αποτελεσματικές ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας.
Δείτε επίσης: Αποδοτικότητα ηλιακών κυψελών και πλαισίων