Фотоелемент

Фотоелектри́чна комі́рка, також со́нячна комі́рка, со́нячний елеме́нт, фотогальвані́чний елеме́нт, фотоелеме́нт, фотоелектри́чний перетво́рювач (ФЕП) — електричний пристрій, який діє як перетворювач, і служить для перетворення частини світлової енергії (як правило, видимих і інфрачервоних електромагнітних хвиль) у електричну за допомогою фотоелектричного ефекту.

Сонячний елемент

Загальний опис

За принципом дії розрізняють фотоелементи із зовнішнім та внутрішнім фотоефектом. За конструктивним виконанням розрізняють фотоелементи електровакуумні та напівпровідникові. Використовують в реле, автоматичній контрольній та вимірювальній апаратурі, фотометрії.

У випадку, якщо кілька фотоелектричних комірок певним чином електрично з'єднаних між собою, загорнутих в пластик, скло, а для жорсткого зв'язку і захисту з'єднані з використанням алюмінієвої рами — називаються сонячною панеллю.

«Сонячні батареї» — умовна назва пристроїв, які перетворюють променеву енергію сонця в електричну енергію.^[1]

Принцип роботи

Фотоелектрична комірка працює в значній мірі як фотодіод, але має дуже велику площу кристала в порівнянні з фотодіодом. Фотоелектричним ефектом є створення електричного потенціалу з матеріалу, який піддається впливу світла. Фотодіоди мають прозорий електрод, через який на електронно-дірковий p-n перехід поступає світло.^[2]

Внутрішній фотоелектричний ефект

Отже, принцип роботи сучасних фотоелементів базується на напівпровідниковому p-n переході. При поглинанні фотона в області, яка прилягає до p-n переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна із цих часток є неосновним зарядом і з великою ймовірністю проникає крізь перехід. В результаті створені завдяки поглинанню енергії фотона заряди розділяються в просторі й не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага густини зарядів. При під'єднанні елементу до зовнішнього навантаження у колі протікає струм.

Говорять про напругу холостого ходу і струм короткого замикання. Напруга холостого ходу (V_vo) — максимальна напруга (зовнішнє навантаження нескінченно мале), яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (I_sc) — це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження нескінченно велике), який може генерувати елемент. У робочому режимі напруга і струм є меншими, і при певних значеннях (V_max і I_max) елемент має максимальну потужність (P_max).

Втрати в сонячному елементі

Основні необоротні втрати енергії у фотоелементах пов'язані з:

• відбиванням сонячного випромінювання від поверхні перетворювача;
• проходженням частини випромінювання через фотоелемент без поглинання в ньому;
• розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки надлишкової енергії фотонів;
• рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об'ємі фотоелемента;
• внутрішнім опором перетворювача,
• деякими іншими фізичними процесами.

У серпні 2009 р. вчені університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної ефективності сонячних батарей — 43 % (тобто 43 % сонячної енергії перетворюється на електричну). Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили б виробляти її в промислових масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах становить приблизно 25 %^[3].

Застосування

Сонячні панелі використовують в автономних системах, які, зазвичай, тривалий період часу не вимагають обслуговування оператором (автоматичні прилади радіонавігації, космічні апарати і ін.), — служать для електропостачання у віддалених районах Землі або на орбітальних станціях, супутниках — де неможливо використовувати електромережу. Мініатюрні сонячні панелі вбудовують в калькулятори від яких заряджаються вбудовані акумулятори, а також для живлення радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.

Матеріали

Матеріали для ефективних сонячних панелей повинні бути узгоджені з характеристиками спектру освітлення.

Низька концентрація сонячної енергії передбачає покриття фотовольтаїчними елементами значних площ, а отже виготовлення достатньої кількості кремнію для таких елементів.^[4] Для продукування сонячних фотоперетворювачів використовують й інші напівпровідники, проте в масовому виробництві відносно дешевий кремній з його практично невичерпними запасами сировини не має і в найближчій перспективі не матиме конкурентів.^[4][5]

Фотоелементи виготовляють з різноманітних напівпровідникових матеріалів. Нині використовуються для фотоелектричних сонячних елементів такі матеріали: монокристалічний кремній, полікристалічний кремній, аморфний кремній, телурид кадмію, арсенід галію, сульфат кадмію і ін. Процес виготовлення фотоелемента близький до процесів виготовлення інших напівпровідників.

Монокристалічні фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14—20 % перетворення світла у електричну енергію).

Полікристалічні, чи мультикристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи використовують тонкі плівки, що виготовляються з розплавленого кремнію, сульфату кадмію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

У космічних апаратах використовуються також багатоперехідні сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності — 35 %. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними. Також, у космічних апаратах використовуються двосторонні сонячні панелі, які дозволяють генерувати більше енергії, при тій самій площі.

Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрувальну оптику.

У наш час ведуться дослідження по створенню гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використанню органічних напівпровідників.

Температурний режим

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їхній температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25 °C він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4 %/градус. Це становить проблему для фотоелементів з концентрувальною оптикою. Тому вони потребують додаткового охолодження.

Сонячна панель

Докладніше: Панель сонячних батарей

Австралійцями Х. Холструпом та Л. Перкіном було сконструйовано велосипед на сонячних батареях на якому конструктори проїхали 2500 миль із Перти до Сіднея.^[6] До 1987 року це була найдовша подорож, здійснена будь-коли з використанням сонячної енергії.^[6] На трасі цей транспорт рухався із швидкість 20 км/год.^[6]

Напруга холостого ходу, яка генерується одним елементом, дещо змінюється від однієї фірми-виробника до іншої (та навіть від одного елемента до іншого в одній партії) і становить близько 0,6 В. Ця величина не залежить від розмірів елемента та його освітленості. Щоб підвищити вихідну напругу сонячні елементи з'єднують послідовно. Такі з'єднання називають сонячною панеллю. Недоліком такого з'єднання є менша надійність, оскільки у разі виходу з ладу одного елемента (або просто потрапляння його в тінь) зменшується струм у цілій батареї в цілому. Втім, сонячні елементи не «бояться» короткого замикання.

Вартість сонячних батарей швидко зменшується. Завдяки цьому попит на сонячні батареї зростає на 30 % за рік, щорічний обсяг їхнього продажу перевищує (за потужністю) 50 МВт.

Ефективність установки залежить не лише від матеріалів, але й від способу експлуатації. Положення сонця на небосхилі визначаються двома координатами — схилом та азимутом. Схил — це кут між лінією, яка сполучає спостерігача та сонце, та горизонтальною поверхнею ${\displaystyle \theta }$. Азимут — кут між напрямком на сонці й напрямком на південь ${\displaystyle \varphi }$. Для ефективного використання елементів необхідно зорієнтувати їх поверхні перпендикулярно сонячним променям.

Сферична система координат

Освітленість поверхні^[7] представляє собою щільність світлового потоку, тобто відношення світлового потоку ${\displaystyle \Phi ,}$ який падає на елемент поверхні, яка містить дану точку, до площини цього елемента ${\displaystyle A:}$

${\displaystyle E={\frac {\Phi }{A}}.}$

У космічній сфері

Для автоматичної орієнтації поверхонь елементів відносно джерел випромінювання можуть застосовуватися відповідні системи автоматичного управління. Важливим елементом такої системи є фасеточний сонячний давач — двохкоординатний пристрій безкамерного типу (тобто сукупність певним чином взаємно орієнтованих фотоелектричних перетворювачів).^[8] У системах супроводження в якості елемента, який здійснює повороти лінії візування, використовується гіроскоп, який має три ступеня вільності. Однак у нерухомості він не діє. У системі самонаведення є елементи, параметри яких за час роботи системи змінюються у широких межах. До таких елементів відносяться об'єкт керування, поведінка якого у загальному випадку описується нелінійною системою диференціальних рівнянь зі змінними коефіцієнтами^[9].

Когерентні квантові генератори світла дозволяють використовувати світловий інтервал частот для потреб зв'язку. Ємність оптичного каналу перевищує ємність радіочастотних каналів. Наприклад, на частоті ${\displaystyle 10^{14}}$ Гц можна передавати декілька тисяч телевізійних програм. Мала довжина світлової хвилі дозволяє створювати квантові джерела світла, спрямованість променя яких менше однієї мінути, що у сотні й тисячі разів перевищує спрямованість радіоантен й прожекторів. Для прикладу, це дозволяє здійснювати зв'язок при потужності передавача 10 кВт й куті спрямованості 1 мінуту на відстані декілька світлових років.

Див. також

• Фотоефект
• PV масив
• Паливна комірка
• Електрохімічна комірка
• Фотоелектрохімічна комірка
• Фотоелектроліз

Примітки

1. Рогинский В. Современные источники электропитания. — Л.:"Энергия", 1969. С.:104
2. Москатов Е. А. Источники питания. — Киев.: «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2011.—208 с, ил. ISBN 978-5-7931-0846-1 («КОРОНА-ВЕК») ISBN 978-966-8806-71-1 («МК-Пресс»)
3. Установлен рекорд эффективности солнечных батарей. Архів оригіналу за 25 вересня 2013. Процитовано 4 серпня 2013.
4. Мачулін В., Литовченко В., Стріха М. Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України^{[недоступне посилання з червня 2019]} // Вісник Національної академії наук України. Загальнонауковий та громадсько-політичний журнал^{[недоступне посилання з травня 2019]}. — 2011, № 5^{[недоступне посилання з червня 2019]}
5. Ерохов В. Ю. Поверхнева функціональна мультитекстура для фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії^{[недоступне посилання з липня 2019]} // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. ^{[недоступне посилання з травня 2019]}. — Харьков: Технологический центр, 2009. — № 3/7 (39)^{[недоступне посилання з липня 2019]}.
6. Маслов В. І. / Сам себе катаю: Все про велосипед: Для серед. і ст. шк. віку / Худож Є. І. Корольков.—К.:Веселка, 1990.—172с.:іл. ISBN 5-301-00515-4 (с.:119-121)
7. Архитектурная физика : Учебник для вузов : Спец. «Архитектура» / В. К. Лицкевич, Л. И. Макриненко, И. В. Мигалина и др.; Под редакцией Н. В. Оболенского. — Москва : «Архитектура-С», 2007. — 448 с., ил.
8. В.Д. Глазков, В.А. Котцов - Фасеточный солнечный датчик как система технического зрения для автономного управления космическим аппаратом.
9. К.А.Пупков, Н.Д. Егупов, Л.В.Колесников, Д.В.Мельников, А.И.Трофимов - Высокоточные системы самонаведения.

Література

• Єрохов В. Ю. Альтернативна енергетика з використанням сонячних елементів / Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Львів : Сполом, 2015. — 116 c. — Бібліогр.: с. 113—116.
• Фотоелемент; Фотокомірка // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.

Посилання