Процесс работы фотоэлектрических панелей не обязательно всем понятен. В этом нет ничего удивительного. Не каждый должен быть специалистом по фотоэлектрическим технологиям, чтобы иметь возможность использовать солнечные панели. Однако, если вам интересно, как работают фотоэлектрические установки, и вы хотите узнать о фотогальваническом эффекте, мы подготовили для вас материал, который отвечает на наиболее часто задаваемые вопросы.
Фотоэлектрический эффект – что это такое и как это работает
Это реакция, протекающая в полупроводнике под действием солнечного света. Это приводит к образованию носителей заряда и, таким образом, к выработке электроэнергии фотогальваническими панелями. Мы знаем, что фотоэлектрический эффект был открыт в 1839 году, когда Александр-Эдмун Беккерель (французский физик) создал первый прототип фотоэлектрического элемента.
Определение фотогальванического эффекта
Фотогальванический эффект (часто называемый фотогальваническим явлением) представляет собой образование носителей заряда в полупроводнике. Этот процесс происходит под воздействием солнечного излучения. Это своего рода внутреннее явление, потому что оно происходит внутри структуры материала.
Когда солнечные лучи достигают поверхности фотоэлектрических панелей, возбуждаются электроны, находящиеся в кристалле кремния (входящем в состав фотогальванических элементов). Так они переходят на следующий энергетический уровень и выбиваются из строя. За счет движения между электродами создается разность потенциалов и это приводит к выработке постоянного тока.
Как выглядит процесс фотоэлектрического эффекта на практике?
Солнечные лучи, освещающие кристалл кремния, следует рассматривать как поток фотонов (элементарных частиц), доставляющих определенную энергию приемнику (панелям). Фотоны, в свою очередь, несут этот заряд. Затем в процессе освещения полупроводника происходит столкновение электронов и фотонов, что инициирует фотогальванический эффект. Энергия фотонов полностью поглощается электроном, что приводит к переходу в зону проводимости и переоценке материала. На этом этапе фотон переходит в возбужденное состояние и образуется так называемая электронная дырка.
Что происходит с электронами? Они движутся в направлении, противоположном образовавшимся электронным дыркам. В результате вырабатывается электричество. Когда фотоэлектрический эффект возникает в фотоэлектрических панелях, необходимо понимать так называемый PN-переход, который соединяет часть кремния N-типа со слоем кремния P-типа.
Стоит отметить, что электроэнергия, вырабатываемая фотогальваническими панелями, является постоянным током. Поэтому она транспортируется к инвертору, где происходит процесс преобразования в переменный ток. Когда работа завершена успешно, произведенная электроэнергия готова к использованию пользователями.
Из чего и как изготавливают фотоэлементы?
В большинстве случаев фотоэлектрические панели изготавливаются из кремния (моно- или поликристаллического). Однако стоит отметить, что на рынке можно найти и конструкции из другого сырья, в которых также возникает фотогальванический эффект. Принцип работы, с практической точки зрения не изменился. Поскольку кремний является одним из самых популярных сырьевых материалов, он является основой нашей статьи, иллюстрирующей фотогальванический эффект и работу фотогальванических элементов.
Также обратите внимание, что кремний относится к группе полупроводников. Следовательно, это материал, который обеспечивает изменчивость электропроводности под влиянием условий окружающей среды или специфического поведения, например, при нагреве и освещении.
Кремний встречается в природе, например, в песке или почве, и благодаря структуре его атома можно использовать этот элемент для проведения электричества. Однако, прежде чем его можно будет использовать в фотогальванике, его необходимо очистить. Этот химический процесс происходит при температуре 1800°С, а его результатом является поликремний. Дальнейшая обработка направлена на получение необходимой кристаллической структуры. В настоящее время популярно использование монокристаллических, поликристаллических и аморфных ячеек, различающихся по своим свойствам и внешнему виду.
Для изготовления фотоэлементов используется легированный кремний N-типа и P-типа, эти слои соединены друг с другом переходным слоем и PN-переходом.
Принцип работы фотогальванических элементов
PN-переход состоит из двух полупроводников, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Однако они различаются по типу. Из кремния, легированного элементами группы V, получается полупроводник N. Электронов в нем больше, чем дырок. С другой стороны, проводник Р-типа имеет обратное соотношение из-за примеси элементов из группы III. Когда контакты облучаются солнечным светом, дырки и электроны диффундируют друг к другу. Это приводит к разности потенциалов (так называемому напряжению холостого хода).
Электроэнергия, вырабатываемая естественным путем, еще не может попасть в коммунальную сеть. Потому что это постоянный ток, который необходимо перенаправить на инвертор, чтобы он прошел процесс преобразования в переменный ток и, в конечном итоге, на электроустановку и т.н. контакты.
Параметры фотоэлектрических панелей – от чего зависит их эффективность?
Эффективность фотоэлектрических панелей представляет собой отношение количества произведенной энергии к количеству солнечного излучения, достигающего фотоэлектрических элементов. Эффективность зависит от множества различных аспектов, и, к сожалению, мы не можем повлиять на все из них. К наиболее важным из них относятся:
- кристаллическая структура материала (например, кремний);
- свойства используемых антибликовых покрытий;
- тип и вид подключения фотогальванических элементов;
- текущие погодные условия.
Таким образом, эффективность фотогальванического эффекта зависит от структуры и типа сырья, из которого изготовлены фотогальванические панели. Именно количество электронов, связей и энергии (которую необходимо приложить для их возбуждения) влияют на работу и потенциал установки. Это основная причина разницы в эффективности моно- и поликристаллических элементов, даже если они сделаны из одного и того же элемента.
