Сонячний елемент

Со́нячний елеме́нт (фотоелемент, фотоелектричний перетворювач — ФЕП) — це напівпровідниковий прилад, що служить для перетворення світлової енергії у електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту.

Принцип роботи

Принцип роботи сучасних фотоелементів базується на напівпровідниковому p-n переході. При поглинанні фотона в області, яка прилягає до p-n переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна із цих часток є неосновним зарядом і з великою ймовірністю проникає крізь перехід. В результаті створені завдяки поглинанню енергії фотона заряди розділяються в просторі й не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага густини зарядів. При під'єднанні елементу до зовнішнього навантаження у колі протікає струм.

Говорять про напругу холостого ходу і струм короткого замикання. Напруга холостого ходу (V_vo) — максимальна напруга (зовнішнє навантаження нескінченне), яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (I_sc), це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження дорівнює нулю), який може генерувати елемент. У робочому режимі напруга і струм є меншими, і при певних значеннях (V_max і I_max) елемент має максимальну потужність (P_max).

Втрати у сонячному елементі

Основні необоротні втрати енергії у фотоелементах пов'язані з:

• відбиттям сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,
• проходженням частини випромінювання через фотоелемент без поглинання в ньому,
• розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки надлишкової енергії фотонів,
• рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об`ємі фотоелемента,
• внутрішнім опором перетворювача,
• деякими іншими фізичними процесами.

Сонячні елементи служать для електропостачання у віддалених районах Землі або на орбітальних станціях, де неможливо використовувати електромережу, а також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.

В серпні 2009 р. вчені Університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної ефективності сонячних батарей – 43% (тобто 43% сонячної енергії перетворюється в електричну). Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили б виробляти ії в промислових масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах складає приблизно 25%.

Матеріали

Фотоелементи виготовляють з різноманітних напівпровідникових матеріалів. Процес виготовлення фотоелемента близький до процесів виготовлення інших напівпровідникових приладів, наприклад чіпів.

Монокристалічні фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14 %-20 % перетворення світла у електричну енергію).

Полікристалічні, чи мультикристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи використовують тонкі плівки що виготовляються з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

У космічних апаратах використовуються також багатоперехідні сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності — 35 %. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними.

Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрувальну оптику.

У наш час ведуться дослідження по створенню гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використанню органічних напівпровідників.

Температурний режим

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їхній температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25 °C він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4 %/градус. Це становить проблему для фотоелементів з концентрувальною оптикою. Тому вони потребують додаткового охолодження.

Сонячна батарея

Напруга холостого ходу, яка генерується одним елементом, злегка змінюється при переході від одного елемента до іншого в одній партії і від однієї фірми-виробника до іншої і складає близько 0,6 В (рис.1). Ця величина не залежить від розмірів елемента та його освітленості. Щоб підвищити вихідну напругу сонячні елементи з'єднують послідовно. Такі з'єднання називають сонячною батареєю. Негативним моментом такого з'єднання є дещо менша надійність, оскільки достатньо виходу з ладу (або просто попадання у тінь) одного елемента щоб струм зменшився у цілій батареї. Сонячні елементи не «бояться» короткого замикання.

Стандартними умовами для паспортизації сонячних батарей в усьому світі визнаються такі:

• освітленість 1000 Вт/м²,
• температура 25 °C,
• спектр АМ 1,5 (сонячний спектр на широті 45°).

Вартість сонячних батарей швидко зменшується (у 1970 р. 1 кВт*год електроенергії, виробленої з їхньою допомогою коштувала $60, у 1980 р. — $1, зараз — $0,20-$0,30). Завдяки цьому попит на сонячні батареї росте на 30 % у рік, щорічний обсяг їхнього продажу перевищує (за потужністю) 50 МВт.

В Україні провідним виробником сонячних батарей є ВАТ «Квазар».

Див. також

• фотокнига
• фотоефект