Раньше было: Возобновляемая энергия и солнечная тепловая энергия. Разделы 1 и 2
Энергетика устойчивого будущего
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Сценарии развития энергетики до 2030 года
Сила, энергия и мощность
Солнечная тепловая энергия. Солнечный водонагреватель на крыше
Солнечная тепловая энергия для получения бытовой тепловой энергии
Солнечная радиация и времена года
Солнечная тепловая энергия и удивительные свойства стекла
Механизмы тепловых потерь стекла и U–показатель
Солнечная тепловая энергия и низкотемпературное оборудование в домах
Обогрев пространства жилого дома солнечным светом
Прямое использование солнечной энергии в доме. Зимний сад, нагрев бассейна, стена Тромбе
Активное солнечное нагревание. История вопроса и компоненты солнцесборников
Активное солнечное нагревание дома и воды для дома
Пассивное солнечное нагревание. Баланс энергии окна
Общие методы пассивного солнечного нагрева
Солнечная тепловая энергия и затемнение. Зимние сады, теплицы и атриумы
Солнечная энергетика. Дневной свет для освещения - как использовать максимально
Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы
История и эффективность солнечных двигателей
Про солнечные двигатели и энергетические башни
Солнечные тепловые электрогенераторы: концентраторы, камины, конвертеры
Возобновляемая энергия. Опыт стран ЕС 1990-2010 гг.
Раздел 3
Возобновляемая энергия. Солнечная фотовольтаика - общие понятия, история
Солнечная фотовольтаика. Кремниевые солнечные ячейки
В прошлый раз мы начали разговор про кремниевые солнечные ячейки, обсудив полупроводники и донаторы/катализаторы и упомянув p-n переход. Продолжим
Фотоэлектрический эффект
Проанализируем, что происходит, когда солнечный свет попадает на ячейку с материалом, имеющим p-n переход. Солнечный свет может быть представлен, как поток крошечных частиц энергии – фотонов. Если фотоны света имеют определенную длину волны, которая соответствует p-n переходу, они передают свою энергию некоторым электронам полупроводника, как бы повышая их энергетический уровень. Обычно материалы как бы удерживают, связывают эти электроны в соответствии с валентностью прилегающих атомов, и не могут двигаться. Однако, в возбужденном состоянии (с добавленной энергией) электроны создают свободный поток – ток, который движется по материалу. При движении электроны «забивают» р-дыры в материале, которые, в свою очередь, тоже движутся. Для лучшего представления процесса, можно провести аналогию с автомобильной парковкой, рис. 3:
Рисунок 3. Автомобильная парковка аналогична процессу проводимости в полупроводнике:
(a) - нижний этаж автомобильной парковки полон, поэтому стоящие там автомобили двигаться не могут (представление электронов в группе валентности). Но при этом «второй этаж» пустой.
(b) «автомобиль» (электрон) движется по второму этажу (представление проводимости), он может двигаться, т.к. вокруг свободно. Это аналогично «электронной дыре», которая также позволяет двигаться «автомобилям» на первом этаже (группа валентности).
Когда p-n переход сформирован, некоторые электроны, находящиеся в непосредственной близости к переходу, привлекаются от n-стороны, чтобы объединиться с дырами на соседней p-стороне. В то же время дыры p-стороны, находящиеся возле перехода, привлекаются для объединения с электронами на соседней n-стороне.
Общий эффект от этого заключается в том, что вокруг перехода с n-стороны создается область менее отрицательно заряженная, чем могла бы быть, а с р-стороны – более отрицательно заряженная, чем можно было бы предположить. В результате это означает, что в районе перехода устанавливается обратное электрическое поле: отрицательное на р-стороне и положительное – на n-стороне. Область вокруг перехода также истощена на носители (электроны и дыры) и называется областью истощения.
Когда электрон в области перехода энергетически активизируется падающим на него фотоном, он переходит в группу проводимости и освобождает место в группе валентности. При этом создается пара из двух носителей (пара «электрон – дыра»). Под влиянием обратного электрического поля, созданного вокруг перехода, электроны будут стремиться переместиться в n-область, а дыры - в p-область. Этот процесс может быть объяснен в терминах уровней энергии в материале, рис. 4:
Рисунок 4. Энергетические группы в полупроводнике
(a) Энергетические группы в нормальном («обычном») полупроводнике;
(b) - Электрон может быть «продвинут» в группу проводимости, в случае поглощения им энергии света (или тепла), «забивая» дыру в группе валентности;
(c) - Когда полупроводники n-типа и p-типа комбинируются в p-n переход, их суммарная энергия создает новое распределение и создается суммарное электрическое поле;
(d) в p-n переходе, фотоны света могут возбудить электроны, что переведет их из группы валентности в группу проводимости. Электроны как бы перекатываются из n-области в область дыр p-области.
Электроны, простимулированные поступающими фотонами, переходят в группу проводимости, «скатываются вниз» под влиянием электрического поля в n-область перехода; дыры же могут «всплывать вверх» под влиянием поля, в p-область перехода.
Поток электронов в n-область является электрическим током. Если для протекания тока есть замкнутый контур, движущиеся электроны, в конце концов, соберутся возле одного из металлических контактов вверху ячейки. Дыры, тем временем, движутся в противоположном направлении через материал, пока они не достигнут другого металлического контакта внизу ячейки, где они заполнятся электронами, приходящими от другой половины замкнутой цепи.
Для того, чтобы вырабатывать энергию, солнечная энергетическая ячейка должна вырабатывать напряжение, также как и ток, созданный потоком электронов. В результате это напряжение будет поддерживаться внутренним электрическим полем, созданном в p-n переходе. Обычно одна кристаллическая кремниевая солнечная энергетическая ячейка вырабатывает напряжение около 0,5 В и создает ток около 3 А, т.е. обеспечивает пиковую мощность около 1,5 Вт. (В зависимости от технологии производства, некоторые солнечные энергетические ячейки вырабатывают большую или меньшую мощность).
Эффективность ленточных соединений (полос) и отдельных солнечных энергетических ячеек
Согласно квантовой теории, количество энергии, которую получает каждый электрон, переводит электрон с одного уровня на какой-то конкретный уровень или в «группу».
Электроны, которые в материале в обычном состоянии в атомах находятся вместе (распределены между соседними атомами), физики описывают, как электроны, расположенные на низких уровнях и определяют группу валентности. При определенных условиях некоторые электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни, известные, как уровни проводимости, в результате чего они могут перемещаться по материалу и поэтому проводят электричество (см. рис. 4. Это так называемая энергетический промежуток или полоса между энергетическими уровнями, величина которых изменяется от материала к материалу, и которая измеряется в электрон-вольтах (эВ) – очень малая величина энергии.
Металлы, которые хорошо проводят электрический ток, имеют много электронов в группе проводимости. Изоляторы, которые вообще едва проводят электрический ток, фактически не имеют никаких электронов в группе проводимости. Чистые (или «естественные») полупроводники имеют некоторые электроны в группе проводимости, но их не так много, как в металле. Но в чистых полупроводниках за счет очень незначительных определенных добавок можно значительно улучшить проводимость.
Если присутствует явление добавки энергии фотона к электрону полупроводника р-типа, установленного в солнечной энергетической ячейке, это переведет электрон из группы валентности в группу проводимости, то эта энергия должна быть не меньше «ширины» энергетической полосы (зоны). Фотоны, у которых энергия менее, чем величина энергетического промежутка, не дают возможности электронам валентности перейти в группу проводимости, и просто рассеиваются. Фотоны с энергией, значительно большей, чем энергетический промежуток, поглощаются электронами и позволяют им перейти в группу проводимости, но остальная, дополнительная, энергия рассеивается, как тепло. Эта энергия рассеяния – одна из причин, почему в солнечных энергетических ячейках не может быть полного, 100 % превращения солнечного излучения в электроэнергию. (Есть и другая причина, почему не вся энергия фотонов поглощается ячейкой: небольшая часть энергии отражается).
Т.к. энергия фотона прямо пропорциональна частоте его светового потока, фотоны, связанные с более короткими световыми волнами вблизи видимого голубого спектра (т.е. с более высокой частотой), обладают большей энергией, чем волны большей длины, красного спектра видимого света. Спектральное распределение солнечного света изменяется в значительной степени в соответствии с погодными условиями и высотой нахождения Солнца на небосводе.
Для максимальной эффективности преобразования света в электроэнергию, действительно важно, чтобы поступающая энергия соответствовала ширине энергетической полосы материала, используемого для солнечной ячейки. Например, если большинство энергии в поступающем солнечном спектре находится в желто-зеленом диапазоне (передается фотонам с энергией около 1,5 эВ), то полупроводник с шириной энергетической полосы около 1,5 эВ будет наиболее эффективным. В общем, материалы полупроводника с ширины энергетической полосы от 1,0 до 1,5 эВ наиболее перспективны для использования солнечной ячейки. У кремния ширина энергетической полосы равна 1,1 эВ.
Максимальная теоретическая эффективность преобразования, которая может быть достигнута в солнечной ячейке кремния за один переход, по расчетам составляет около 30%, если все излучение будет направлено для преобразования в «ловушку», которая сможет гарантировать практически полное поглощение фотонов. Однако, ячейки мульти-перехода проектировались так, чтобы при каждом переходе поглощалась вся, даже случайная часть солнечного спектра. Теоретически, такие ячейки должны иметь наивысшую возможную эффективность, достигающую 66% за бесконечного большой ряд переходов - однако пока еще достигнутая эффективность в ячейках с мульти-переходом на практике оказалась намного ниже.
В следующем посте рассмотрим ячейки из монокристаллического и поликристаллического кремния.
Обсудить в моем Живом журнале
Каталог первых трех разделов перевода Оксфордского учебника
Также рекомендую:
Несколько характеристик атомной энергетики
Энергия и материя Вселенной
