Принцип сонячної батареї

Сонце світить на напівпровідниковий pn-перехід, утворюючи нову пару дірка-електрон. Під дією вбудованого електричного поля в pn-переході фотогенеровані дірки перетікають в p-область, а фотогенеровані електрони — в n-область. Після підключення ланцюга утворюється струм. Це принцип роботи сонячних елементів з фотоелектричним ефектом.
Існує два способи виробництва сонячної енергії: один — це перетворення світло-тепло-електрика, а інший — пряме перетворення світла-електрики.
Фототермічно-електричне перетворення
Режим перетворення світло-тепло-електрика генерує електроенергію, використовуючи теплову енергію, вироблену сонячним випромінюванням. Як правило, поглинена теплова енергія перетворюється на пару робочого середовища за допомогою сонячного колектора, а потім парова турбіна приводиться в дію для виробництва електроенергії. Перший процес є процесом перетворення світла в тепло; Останній процес є процесом перетворення тепла в електроенергію, який є таким самим, як і звичайне виробництво теплової енергії. Недоліком сонячної теплової генерації є те, що її ефективність дуже низька, а її вартість дуже висока. За оцінками, його інвестиції принаймні в 5-10 разів вищі, ніж у звичайні теплові електростанції. Сонячна теплова електростанція потужністю 1000 МВт потребує інвестицій від 2 до 2,5 мільярдів доларів США, із середніми інвестиціями в 1 кВт від 2000 до 2500 доларів США. Тому його можна застосовувати лише в особливих випадках у невеликих масштабах, тоді як великомасштабне використання не є економічним і не може конкурувати зі звичайними ТЕС чи АЕС.
Пряме оптико-електричне перетворення
Виробництво енергії сонячними елементами здійснюється відповідно до фотоелектричних властивостей конкретних матеріалів. Чорні тіла (такі як Сонце) випромінюють електромагнітні хвилі різних довжин хвиль (що відповідають різним частотам), такі як інфрачервоне, ультрафіолетове, видиме світло тощо. Коли ці промені опромінюються на різні провідники або напівпровідники, фотони взаємодіють із вільними електронами в провідниках. або напівпровідники для генерування струму. Чим коротша довжина хвилі і вища частота променя, тим більша його енергія. Наприклад, енергія ультрафіолетового випромінювання набагато вища, ніж інфрачервоного. Однак енергія променів усіх довжин хвиль не може бути перетворена в електричну. Варто відзначити, що фотоелектричний ефект не залежить від інтенсивності променів. Струм може генеруватися лише тоді, коли частота досягає або перевищує порогове значення, яке може спричинити фотоелектричний ефект. Максимальна довжина хвилі світла, яка може змусити напівпровідник створювати фотоелектричний ефект, пов’язана з шириною забороненої зони напівпровідника. Наприклад, ширина забороненої зони кристалічного кремнію становить близько 1,155 еВ при кімнатній температурі. Таким чином, лише світло з довжиною хвилі менше ніж 1100nm може викликати фотоелектричний ефект кристалічного кремнію. Виробництво електроенергії на сонячних батареях є відновлюваним і екологічно чистим методом виробництва електроенергії. Він не виділяє парникових газів, таких як вуглекислий газ, і не забруднює навколишнє середовище. За матеріалами виробництва його можна розділити на кремнієві напівпровідникові батареї, тонкоплівкові батареї CdTe, тонкоплівкові батареї CIGS, чутливі до барвників тонкоплівкові батареї, батареї з органічних матеріалів тощо. Серед них кремнієві елементи поділяються на монокристалічні. комірки, полікристалічні комірки та тонкоплівкові комірки з аморфного кремнію. Найважливішим параметром сонячних елементів є ефективність перетворення. Серед розроблених у лабораторії сонячних елементів на основі кремнію ефективність монокристалічних кремнієвих елементів становить 25,0 відсотка, ефективність полікристалічних кремнієвих елементів становить 20,4 відсотка, ефективність тонкоплівкових елементів CIGS становить 19,6 відсотка, ефективність тонкоплівкових елементів CdTe становить 16,7 відсотка, а ефективність тонкоплівкових елементів з аморфного кремнію (аморфного кремнію) становить 10,1 відсотка
Сонячна батарея - це свого роду фотоелектричний елемент, здатний перетворювати енергію. Його базова структура складається з напівпровідників P-типу та N-типу. Основним матеріалом напівпровідників є «кремній», який не проводить електричний струм. Однак, якщо в напівпровідниках змішати різні домішки, їх можна перетворити на напівпровідники P-типу та N-типу. Тоді напівпровідники P-типу мають дірку (напівпровідники P-типу мають на один електрон із негативним зарядом менше, що можна вважати ще одним позитивним зарядом), а напівпровідники N-типу мають на одну різницю потенціалів вільного електрона більше для генерування струму, отже, коли світить сонце, світлова енергія збуджує електрони в атомі кремнію, створюючи конвекцію електронів і дірок. На ці електрони та дірки впливатиме вбудований потенціал, і вони будуть притягуватися напівпровідниками N-типу та P-типу відповідно, і збиратимуться на обох кінцях. У цей час, якщо зовнішня сторона з’єднана з електродами, щоб утворити ланцюг, це принцип генерації енергії сонячними елементами.
Коротше кажучи, принцип виробництва сонячної фотоелектричної енергії полягає у використанні сонячних елементів для поглинання сонячного світла з довжиною хвилі 0,4 мкм-1,1 мкМ (для кристалів кремнію), що безпосередньо перетворює світлову енергію в електричну вихід енергії.
Оскільки електроенергія, вироблена сонячними батареями, є постійним струмом, якщо необхідно забезпечити живлення побутових приладів або різних електроприладів, необхідно встановити перетворювач постійного/змінного струму, щоб замінити його на змінний струм, перш ніж його можна буде подавати в домогосподарство або промислова потужність.
Розвиток зарядки сонячних елементів Застосування сонячних елементів у споживчих товарах здебільшого має проблему зарядки. У минулому загальні об’єкти заряджання використовували NiMH або NiCd сухі елементи, але NiMH сухі елементи не можуть протистояти високій температурі, а NiCd сухі елементи мають проблему забруднення навколишнього середовища. Зі швидким розвитком суперконденсаторів, великої ємності, анти-зменшення площі та низької ціни деякі сонячні продукти почали використовувати суперконденсатори як зарядні об’єкти, таким чином покращуючи багато проблем сонячної зарядки:
Швидка зарядка,
Термін служби більше ніж в 5 разів,
Діапазон температур зарядки широкий,
Зменшити споживання сонячних батарей (можна заряджати при низькій напрузі)