Як працюють сонячні батареї, Наука для всіх простими словами
Сонячна енергія вже понад 50% енергетичних витрат Німеччини покриває. Очевидно, що майбутнє енергетики – за сонячними батареями. Які ж основні засади їхньої роботи?
Основні принципи. Сонячні панелі складаються з фотоелектричних осередків, запакованих у 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 їхню енергію. Приплив енергії вивільняє електрони усередині напівпровідника. До фотоелемента додається електричне поле, яке спрямовує вільні електрони, змушуючи їх рухатися у певному напрямку. Цей потік електронів утворює електричний струм.
Таким чином, якщо прикласти металеві контакти до верху та донизу фотоелемента, можна направити отриманий струм по дротах і використовувати його для різних пристроїв. Сила струму разом із напругою осередку визначають потужність електроенергії, що виробляється фотоелементом.
Кремнієві напівпровідники. Ми розглянемо процес вивільнення електронів на прикладі кремнію. Атом кремнію має 14 електронів у трьох оболонках. Перші дві оболонки повністю заповнені двома та вісьмома електронами відповідно. Третя ж оболонка наполовину порожня - у ній лише 4 електрони.
Завдяки цьому кремній має кристалічну форму; намагаючись заповнити порожнечі в третій оболонці, атоми кремнію намагаються "ділитися" електронами із сусідами. Однак кристал кремнію в чистому вигляді - поганий провідник, оскільки практично всі його електрони міцнісидять у кристалічній решітці.
Тому в сонячних батареях використовують не чистий кремній, а кристали з невеликими домішками, тобто в кремнії 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'язки з прилеглими атомами кремнію, проте п'ятий електрон фактично залишається "висіти" у просторі, без будь-яких зв'язків із сусідніми атомами.
Коли на кремній потрапляють сонячні промені, його електрони отримують додаткову енергію, якої вистачає, щоб відірвати їхню відмінність від відповідних атомів. В результаті на їхньому місці залишаються "Дірки". Електрони, що звільнилися, блукають кристалічною решіткою як носії електричного струму. Зустрівши чергову "Дірку", вони заповнюють її.
Однак у чистому кремнії таких вільних електронів занадто мало через міцні зв'язки атомів у кристалічній решітці. Зовсім інша справа – кремній із домішкою фосфору. Для вивільнення незв'язаних електронів в атомах фосфору потрібно додати значно менше енергії.
Більшість таких електронів стає вільними носіями, які можна ефективно спрямовувати і використовуватиме отримання електрики. Процес додавання домішок поліпшення хімічних і фізичних властивостей речовини називається легуванням.
Кремній, легований атомами фосфору, стає електронним напівпровідником n-типу (від слова "Negative", через негативний заряд електронів.
Кремній також легують бором, у якого лише три електрони у зовнішній оболонці. В результаті виходить напівпровідник p-типу (від "Positive"), в якому виникають вільні позитивно заряджені "дірки".
Пристрій сонячної батареї. Що ж станеться, якщо з'єднати напівпровідник n - типу з напівпровідником p - типу? У першому їх утворилося безліч вільних електронів, тоді як у другому - багато дірок. Електрони прагнуть якнайшвидше заповнити дірки, але якщо це станеться, обидва напівпровідники стануть електрично нейтральними.
Натомість при проникненні вільних електронів у напівпровідник p - типу, область на стику обох речовин заряджається, утворюючи бар'єр, перейти який не так просто. На межі p – n переходу виникає електричне поле.
Енергії кожного фотона сонячного світла вистачає зазвичай на вивільнення одного електрона, а отже, і на утворення однієї зайвої дірки. Тільки тому випадку, якщо це відбувається поблизу p - n переходу, електричне поле посилає вільний електрон на n - бік, а дірку - на p - бік.
Таким чином, рівновага порушується ще більше, і якщо прикласти до системи зовнішнє електричне поле, вільні електрони потечуть на p – бік, щоб заповнити дірки, створюючи електричний струм.
На жаль, кремній досить добре відбиває світло, а значить, значна частина фотонів пропадає в туні. Щоб зменшити втрати, фотоелементи покривають покриттям антивідблиску. Нарешті, щоб захистити сонячну батарею від дощу та вітру, її також прийнято покривати склом.
Коефіцієнт високий корисної дії сучасних сонячних батарей не надто. Більшість з них ефективно переробляють від 12 до 18 відсотків сонячного світла, що на них потрапляє. Найкращі зразки 40-відсотковий бар'єр ккд перейшли.