Этот пост может быть немного скучным, но без него не понять фотовольтаику.
Полупроводники и донаторы/катализаторы
Ячейки солнечных батарей состоят, по сути, из двух тонких соединенных между собой слоев разнородных полу-проводниковых материалов, известных соответственно как 'p' (положительный)-тип полупроводников, и 'n' (отрицательный)-тип полупроводников. Эти полупроводники обычно делают из кремния, если несколько упростить.
Существует единое международное соглашение, по которому солнечные ячейки и модули должны проходить единые стандартные испытания. По существу, необходимо проверить два параметра: температура ячейки или модуля должна быть не более 25°C, а солнечный радиационный показатель ячейки должен иметь энергетическую плотность 1000 Вт/м^2 со спектральным энергетическим распределением, известным как «воздушный массовый показатель 1,5» (AM-1,5).
Теперь терминологии, которая будет использована дальше по тексту. Спектральное энергетическое распределение описывает закономерность изменения мощности солнечного излучения в зависимости от спектра и длины волны.
Понятие «воздушная масса» описывает путь, по которому идет спектральное энергетическое распределение излучения от Солнца. Оно определяется расстоянием, которое проходят лучи Солнца, пока они достигнут атмосферы, согласно наблюдениям наблюдателя солнечного энергетического модуля.
За пределами атмосферы Земли излучение Солнца имеет энергетическую плотность приблизительно 1365 Вт•м^-2. Характеристика спектрального энергетического распределения солнечного излучения, определенное перед входом в атмосферу, называется распределение «воздушной массы 0» (AM-0).
У поверхности Земли газы, которые составляют атмосферу (кислород, азот, озон, водный пар, углекислота и т.п.), смягчают солнечное излучение в интервале различных длин волн. Это ослабление пропорционально расстоянию, которые проходят лучи Солнца при путешествии через атмосферу.
Когда Солнце находится в зените, расстояние, по которому лучи Солнца проходят через атмосферу к солнечному модулю, минимально. Характерное спектральное энергетическое распределение солнечного излучения, которое наблюдается при этом, известно, как распределение «воздушной массы 1» (АМ-1).
Когда Солнце находится под определенным углом и к зениту (наблюдатель при этом на уровне моря), «воздушная масса» определяется как соотношение длины пути лучей Солнца при этой широте к длине пути, который Солнце проходит, находясь в зените. Согласно простой тригонометрии (смотри рисунок 1), это соотношение равно:
Рисунок 1. «Воздушная масса» - соотношение длин путей лучей Солнца через атмосферу, когда Солнце находится под углом (Θ) к зениту, к длине пути, который проходят лучи Солнца до поверхности Земли, находясь в зените.
Например, распределение «воздушных масс» равно 1,5, согласно данным стандартных испытаний, что соответствует спектральному энергетическому распределению, наблюдаемому при излучении Солнца под углом 48° (cos 48° = 0,67, обратная величина составляет 1,5).
Приблизительные спектральные энергетические распределения для «воздушной массы» 0 и 1,5 показаны на рис. 2. На практике энергетический рейтинг в пиковых ваттах (Втп) солнечной ячейки или модуля определяют, измеряя максимальную мощность от установленных ламп, которые воспроизводят спектральное распределение AM-1,5 с полной энергетической плотностью 1000 Вт∙м^-2.
Рисунок 2. Спектральное энергетическое распределение солнечной радиации, соответствующей «воздушной массе» 0 и «воздушной массе» 1,5.
На рисунке зеленая линия - теоретическое спектральное энергетическое распределение, которое было бы в пространстве, если бы Солнце было абсолютным излучателем («черное тело») с температурой 6 000°C. Рассмотрены только сделанные из кремния полупроводники, хотя, как мы увидим позже, ячейки солнечных батарей могут быть сделаны из других материалов.
Полупроводники n-типа сделаны из кристаллического кремния с небольшими добавками (обычно, фосфора) таким образом, чтобы материал обладал излишком свободных электронов. Электроны - частицы с отрицательным электрическим зарядом, поэтому кремний с такими добавками называют полупроводник отрицательного n-типа.
Полупроводники р-типа сделаны также из кристаллического кремния с небольшими добавками (обычно, бора), что приводит к дефициту свободных электронов. Эти не-достающие электроны обычно называют «дырами». В результате как бы не хватает электронов, поэтому дыры можно рассматривать, как эквивалент положительно заряженных частиц, и такой кремний называют полупроводник положительного р-типа.
p-n переход
Используя такие материалы для полупроводников, мы можем создать так называемый p-n переход. Они создают единое электрическое поле в зоне перехода. Такое электрическое поле, называемое электростатическим полем, может быть создано, если, например, потереть пластмассовую гребенку о свитер. Это поле заставит отрицательно заряженные частицы двигаться в одном направлении, а положительно заряженные - в обратном. Однако, p-n переход на практике не является простой механической структурой: характеристики изменяются от 'p' к 'n' постепенно, не резко.
Продолжение следует
Обсудить в моем Живом журнале
Каталог первых трех разделов перевода Оксфордского учебника
Также рекомендую:
Несколько характеристик атомной энергетики
Энергия и материя Вселенной