Halfgeleider fotovoltaïsche energie-omzetters (fotocellen)
Fotocellen zijn elektronische apparaten die zijn ontworpen om de energie van fotonen om te zetten in de energie van een elektrische stroom.
Historisch gezien werd het eerste prototype van de moderne fotocel uitgevonden Alexander G. Stoletov aan het einde van de 19e eeuw. Hij maakt een apparaat dat werkt volgens het principe van extern foto-elektrisch effect. De eerste experimentele installatie bestond uit een paar evenwijdige platte metalen platen, waarvan de ene was gemaakt van gaas om licht door te laten en de andere was massief.
Er werd een constante spanning op de platen aangelegd, die kon worden ingesteld in het bereik van 0 tot 250 volt. De positieve pool van de spanningsbron was verbonden met de roosterelektrode en de negatieve pool met de vaste stof. Een gevoelige galvanometer was ook in het schema opgenomen.
Wanneer een massieve plaat werd verlicht met licht van een elektrische boog, galvanometer naald afgebogen, wat aangeeft dat er een gelijkstroom wordt gegenereerd in het circuit ondanks het feit dat er lucht tussen de schijven zit.In het experiment ontdekte de wetenschapper dat de grootte van de "fotostroom" afhangt van zowel de aangelegde spanning als de intensiteit van het licht.
Om de installatie ingewikkelder te maken, plaatst Stoletov de elektroden in een cilinder waaruit lucht wordt afgevoerd en wordt ultraviolet licht door een kwartsvenster naar de gevoelige elektrode gevoerd. Het was dus geopend foto-effect.
Tegenwoordig werkt het op basis van dit effect fotovoltaïsche omvormers… Ze reageren op elektromagnetische straling die op het oppervlak van het element valt en zetten deze om in een uitgangsspanning. Een voorbeeld van zo'n omvormer is Zonnecel… Hetzelfde principe wordt gebruikt door lichtgevoelige sensoren.
Een typische fotocel bestaat uit een laag lichtgevoelig materiaal met een hoge weerstand, ingeklemd tussen twee geleidende elektroden. Als fotovoltaïsch materiaal voor zonnecellen wordt het veel gebruikt halfgeleider, die, wanneer volledig verlicht, in staat is om 0,5 volt aan de uitgang te geven.
Dergelijke elementen zijn het meest efficiënt vanuit het oogpunt van gegenereerde energie, omdat ze een directe overdracht van fotonenenergie in één stap mogelijk maken - bij elektrische stroom... Onder normale omstandigheden is een rendement van 28% de norm voor dergelijke elementen.
Hier treedt een intens foto-elektrisch effect op vanwege de inhomogeniteit van de halfgeleiderstructuur van het werkmateriaal.Deze inhomogeniteit wordt verkregen door het gebruikte halfgeleidermateriaal te doteren met verschillende onzuiverheden, waardoor een pn-overgang ontstaat, of door halfgeleiders met verschillende spleetgroottes (energieën waarbij elektronen hun atomen verlaten) te verbinden - waardoor een heterojunctie wordt verkregen, of door een dergelijke chemische verbinding te kiezen. samenstelling van de halfgeleider dat er binnenin een bandgap-gradiënt - een graduele gap-structuur - verschijnt. Dientengevolge hangt de efficiëntie van een bepaald element af van de inhomogeniteitskenmerken die binnen een bepaalde halfgeleiderstructuur worden verkregen, evenals van de fotogeleiding.
Om verliezen in een zonnecel te verminderen, worden bij de vervaardiging ervan een aantal voorschriften gebruikt. Ten eerste worden halfgeleiders gebruikt waarvan de bandgap alleen voor zonlicht optimaal is, bijvoorbeeld verbindingen van silicium en galliumarsenide.Ten tweede worden de eigenschappen van de structuur verbeterd door optimale dotering. De voorkeur gaat uit naar heterogene en graduele structuren. De optimale dikte van de laag, de diepte van de pn-overgang en de beste parameters van het contactrooster worden geselecteerd.
Er worden ook cascade-elementen gemaakt, waarbij verschillende halfgeleiders met verschillende frequentiebanden werken, zodat na het passeren van de ene cascade het licht de volgende binnenkomt, enz. Het idee om het zonnespectrum te ontbinden ziet er veelbelovend uit, zodat elk van zijn regio's worden getransformeerd vanuit een afzonderlijk deel van de fotocel.
Er zijn momenteel drie hoofdtypen fotovoltaïsche cellen op de markt: monokristallijn silicium, polykristallijn silicium en dunne film.Dunne films worden als de meest veelbelovende beschouwd omdat ze zelfs gevoelig zijn voor strooilicht, op gebogen oppervlakken kunnen worden geplaatst, niet zo bros zijn als silicium en zelfs bij hoge bedrijfstemperaturen effectief zijn.