Пристрій та принцип роботи сонячних елементів
Напевно багатьом цікаво як сонячні батареї перетворять світлову енергію сонця на електричну. Насправді це досить складний процес, який у такому розділі фізики як квантова механіка. Але ми намагатимемося розібратися в цьому.
В основу сонячних батарей закладено напівпровідникові матеріали. Це свого роду особливий клас, який не можна зарахувати ні до ізоляторів, ні до провідників. Якщо порівняти питомий опір напівпровідників за кімнатної температури, воно може коливатися в межах 10 -3 – 10 9 Ом . див. Це менше ніж опір ізоляторів (понад 10 9 Ом . см), але й більше ніж провідників (менше ніж 10 -3 Ом . см). Для виготовлення сонячних елементів зазвичай використовують елементи, чий опір лежить в межах 10 -3 – 10 2 Ом . див.
Напівпровідники поділяються на два типи: р та n. Найчастіше використовуваним у сонячних елементах напівпровідником є кремній (Si). Його одержують із різного роду хімічних сполук, що містять його, а також видаляють із нього практично всі домішки.
Після очищення його плавлять і одержують монокристал Si. Процес цей має назву вирощування штучних кристалів методом Чохральського.
При виготовленні Si для сонячних елементів виробляють легування – додають кілька домішок в розплавлений кремній. Елементи n – типу отримують додаючи як домішки елементи V групи таблиці Менделєєва, наприклад фосфор. Фосфор має п'ять електронів на зовнішній оболонці. Тому при попаданні в розплавлений кремній (а Si є лише 4 електрони на зовнішній оболонці) займає місце атома Si в кристалічній решітці і передає їй додатковий електрон. Через це елементи групи V отримали назви донорних.
ПриВиготовленні Si р - типу для сонячних батарей роблять такий самий процес що і для n - типу. Але замість елементів V групи додають III групи, наприклад, бор. Він має три електрони на зовнішній оболонці і при додаванні його в розплавлений Si він забирає 1 електрон у кремнію. Внаслідок чого утворюється позитивний заряд (через відсутність електрона) який називається діркою. Тому домішки даного типу отримали назви акцепторних.
Дірки та електрони вільно пересуваються за обсягом напівпровідника. Відбувається процес рекомбінації – коли електрон посідає дірки. Однак після цього на місці, де він був, виникне нова дірка. Якщо до цієї структури докласти зовнішнє електричне поле, то дірки почнуть рухатися в один бік, а електрони у протилежний.
Для більш чіткого уявлення про влаштування сонячних елементів розглянемо його схематично на малюнку нижче:
Де: а — фотони А я В створюють електронно-діркові пари аа'я bb'. Електрон с та дірка с’, які утворилися попереднім фотоном, рухаються до контактів сонячного елемента. Електрони d, e, f і g рухаються зовнішнього ланцюга, таким чином виходить протікання струму; b-дірка, утворена внаслідок впливу фотона А. пройшла через перехід і рухається до позитивного контакту. Електрон, що з'явився внаслідок впливу фотона Ст теж пройшов через перехід і продовжує рух до негативного контакту. Електрон з перейшов із напівпровідника до провідника. Електрон d перейшов у напівпровідник і рекомбінував із діркою с’.
Як працює сонячний елемент? Уявимо, що сонячна батарея (структура на малюнку вище) висвітлюється сонячним світлом. Фотони, що потрапляють на поверхню сонячної батареї з різною енергією, поглинатимуться внапівпровідниковий елемент. Фотони А і В, потрапивши на поверхню сонячної установки, вибили електрона з довільних атомів, відповідно на місці них утворилися дірки. Таким чином утворилися електронно-діркові пари. Тепер під впливом електричних полів, утворених р – n переходом, дірки та електрони можуть рухатися за матеріалом напівпровідника. Відповідно n область притягує електрони, р область дірки. На поверхні розділу електрон займає місце дірки. Це називається рекомбінацією. Причому після рекомбінації електрон стає нейтральним, поки наступний фотон не виб'є і не порушить електричну рівновагу.
Для підключення сонячних елементів до навантаження їх забезпечують металевими контактами. Неосвітлений сонячний елемент може проводити струм, який надходить від зовнішнього джерела лише в один бік. Таким чином, можна визначити полярність напівпровідниковим пристроєм джерела живлення.