Як працюють сонячні батареї?
Сонячна енергія вже покриває понад 50% енергетичних витрат Німеччини. Очевидно, що майбутнє енергетики - за сонячними батареями. Які ж основні принципи їх роботи?
Колись фотоелементи використовувалися майже виключно в космосі, наприклад, в якості основного джерела енергії супутників. З тих пір сонячні батареї все більше входять в наше життя: ними покривають дахи будинків і машин, використовують в наручних годинниках і навіть в темних окулярах.
Сонячні панелі © Flickr / O`Connor College Of Law Pix
Але як же функціонують сонячні батареї? Яким чином вдається перетворювати енергію сонячних променів в електрику?
Основні принципи
Сонячні панелі складаються з фотоелектричних осередків, запакованих в загальну рамку. Кожна з них зроблена з напівпровідникового матеріалу, наприклад, кремнію, який найчастіше використовується в сонячних батареях.
Коли промені падають на напівпровідник, той нагрівається, частково поглинаючи їх енергію. Приплив енергії вивільняє електрони всередині напівпровідника. До фотоелементу додається електричне поле, яке спрямовує вільні електрони, змушуючи їх рухатися в певному напрямку. Цей потік електронів і утворює електричний струм.
Відео: Як працюють сонячні батареї. Як збирають сонячні батареї
Якщо прикласти металеві контакти до верху і до низу фотоелемента, можна направити отриманий струм по дротах і використовувати його для роботи різних пристроїв. Сила струму разом з напругою осередку визначають потужність електроенергії, виробленої фотоелементом.
Панель сонячної батареї © depositphotos.com
кремнієві напівпровідники
Розглянемо процес вивільнення електронів на прикладі кремнію. Атом кремнію має 14 електронів в трьох оболонках. Перші дві оболонки повністю заповнені двома і вісьмома електронами відповідно. Третя ж оболонка наполовину порожня - в ній всього 4 електрона.
Відео: Як працюють сонячні панелі? TED Ed [РОСІЙСЬКОЮ]
Завдяки цьому кремній має кристалічну форму-намагаючись заповнити пустоти в третій оболонці, атоми кремнію намагаються «ділитися» електронами з сусідами. Однак кристал кремнію в чистому вигляді - поганий провідник, оскільки практично всі його електрони міцно сидять в кристалічній решітці.
Тому в сонячних батареях використовують не чистий кремній, а кристали з невеликими домішками, т. Е. В кремній вводяться атоми інших речовин. На мільйон атомів кремнію припадає лише один атом, наприклад, атом фосфору.
У фосфору п`ять електронів у зовнішній оболонці. Чотири з них утворюють кристалічні зв`язку з прилеглими атомами кремнію, проте п`ятий електрон фактично залишається «висіти» в просторі, без будь-яких зв`язків з сусідніми атомами.
Коли на кремній потрапляють сонячні промені, його електрони отримують додаткову енергію, якої було достатньо, щоб відірвати їх від відповідних атомів. В результаті на їх місці залишаються «дірки». Вивільнені ж електрони блукають по кристалічній решітці як носії електричного струму. Зустрівши чергову «дірку», вони заповнюють її.
Однак в чистому кремнії таких вільних електронів занадто мало через міцних зв`язків атомів в кристалічній решітці. Зовсім інша справа - кремній з домішкою фосфору. Для вивільнення незв`язаних електронів у атомах фосфору потрібно докласти значно меншу кількість енергії.
Велика частина таких електронів стає вільними носіями, які можна ефективно направляти і використовувати для отримання електрики. Процес додавання домішок для поліпшення хімічних і фізичних властивостей речовини називається легуванням.
Кремній легований атомами фосфору, стає електронним напівпровідником n-типу (від слова «negative», через негативного заряду електронів).
Кремній також легируют бором, у якого всього три електрона у зовнішній оболонці. В результаті виходить напівпровідник p-типу (від «positive»), в якому виникають вільні позитивно заряджені «дірки».
Найбільша в світі сонячна електростанція «Айванпа» в каліфорнійській пустелі Мохаве © NRG Energy
Пристрій сонячної батареї
Що ж станеться, якщо з`єднати напівпровідник n-типу з напівпровідником p-типу? У першому з них утворилося безліч вільних електронів, а в другому - багато дірок. Електрони прагнуть якомога швидше заповнити дірки, але якщо це станеться, обидва напівпровідника стануть електрично нейтральними.
Замість цього при проникненні вільних електронів в напівпровідник p-типу, область на стику обох речовин заряджається, утворюючи бар`єр, перейти який не так просто. На кордоні p-n переходу виникає електричне поле.
Енергії кожного фотона сонячного світла вистачає зазвичай на вивільнення одного електрона, а значить і на освіту однієї зайвої дірки. Якщо це відбувається поблизу p-n переходу, електричне поле посилає вільний електрон на n-сторону, а дірку - на p-сторону.
Таким чином, рівновага порушується ще більше, і якщо прикласти до системи зовнішнє електричне поле, вільні електрони потечуть на p-сторону, щоб заповнити дірки, створюючи електричний струм.
Відео: Як працює сонячна батарея
На жаль, кремній досить добре відбиває світло, а значить, значна частина фотонів пропадає марно. Щоб зменшити втрати, фотоелементи покривають антибліковим покриттям. Нарешті, щоб захистити сонячну батарею від дощу і вітру, її також прийнято покривати склом.
Найбільше в світі судно на сонячних батареях PlanetSolar © PlanetSolar / Philip Plisson
Коефіцієнт корисної дії сучасних сонячних батарей не надто високий. Більшість з них ефективно переробляють від 12 до 18 відсотків потрапляє на них сонячного світла. Кращі зразки перейшли 40-відсотковий бар`єр ККД.
