Félvezető fotovoltaikus energiaátalakítók (fotocellák)
A fotocellák olyan elektronikus eszközök, amelyek a fotonok energiáját elektromos áram energiájává alakítják.
Történelmileg feltalálták a modern fotocella első prototípusát Alexander G. Stoletov század végén. Olyan eszközt hoz létre, amely a külső fotoelektromos hatás elvén működik. Az első kísérleti installáció egy pár párhuzamos sík fémlemezből állt, amelyek közül az egyik hálóból készült, hogy átengedje a fényt, a másik pedig szilárd volt.
A lapokra állandó feszültséget kapcsoltak, amely 0 és 250 volt között állítható. A feszültségforrás pozitív pólusa a rácselektródához, a negatív pólus pedig a szilárdtesthez volt kötve. Egy érzékeny galvanométer is szerepelt a sémában.
Amikor egy szilárd lapot elektromos ív fénnyel világítottak meg, galvanométer tű elhajlik, jelezve, hogy az áramkörben egyenáram keletkezik annak ellenére, hogy levegő van a lemezek között.A kísérlet során a tudós megállapította, hogy a "fényáram" nagysága mind az alkalmazott feszültségtől, mind a fény intenzitásától függ.
A telepítést megnehezíti, hogy Stoletov az elektródákat egy hengerbe helyezi, amelyből a levegőt kiszívják, és ultraibolya fényt táplálnak az érzékeny elektródára egy kvarc ablakon keresztül. Szóval nyitva volt fotó hatás.
Ma már ez a hatás alapján működik fotovoltaikus átalakítók… Reagálnak az elem felületére eső elektromágneses sugárzásra, és azt kimeneti feszültséggé alakítják. Ilyen átalakító például napelem… Ugyanezt az elvet használja a fényérzékeny érzékelők.
Egy tipikus fotocella egy nagy ellenállású fényérzékeny anyagrétegből áll, amely két vezető elektróda között van elhelyezve. Napelemek fotovoltaikus anyagaként általában használják félvezető, amely teljesen megvilágítva 0,5 voltot képes adni a kimeneten.
Az ilyen elemek a termelt energia szempontjából a leghatékonyabbak, mivel lehetővé teszik a fotonenergia közvetlen egylépéses átvitelét. elektromos áramban... Normál körülmények között az ilyen elemeknél a 28%-os hatásfok a norma.
Itt intenzív fotoelektromos hatás lép fel a munkaanyag félvezető szerkezetének inhomogenitása miatt.Ezt az inhomogenitást vagy a felhasznált félvezető anyagok különböző szennyeződésekkel való adalékolásával, ezáltal pn átmenet létrehozásával, vagy különböző résméretű félvezetők (az elektronok atomjait elhagyó energiák) összekapcsolásával – így heterojunkciót kapunk, vagy ilyen vegyszert választunk. A félvezető összetétele, amelyen belül egy sávszélesség-gradiens – egy fokozatos résstruktúra – jelenik meg. Ennek eredményeként egy adott elem hatékonysága az adott félvezető szerkezeten belül kapott inhomogenitási jellemzőktől, valamint a fényvezető képességtől függ.
A napelemek veszteségének csökkentése érdekében a gyártás során számos előírást alkalmaznak. Először is olyan félvezetőket használnak, amelyek sávszélessége éppen a napfény számára optimális, például szilícium- és gallium-arzenid vegyületeket, másodszor pedig az optimális adalékolás javítja a szerkezet tulajdonságait. Előnyben részesülnek a heterogén és osztályozott szerkezetek. Kiválasztják a réteg optimális vastagságát, a p-n átmenet mélységét és az érintkezőrács legjobb paramétereit.
Létrejönnek a kaszkádelemek is, ahol több, különböző frekvenciasávú félvezető működik, így az egyik kaszkádon áthaladva a fény a következőbe jut, stb. A napspektrum lebontásának ötlete ígéretesnek tűnik, így mindegyik régiók a fotocella külön szakaszából alakulnak át.
Napjainkban a napelemek három fő típusa van a piacon: monokristályos szilícium, polikristályos szilícium és vékony film.A vékony filmeket tartják a legígéretesebbnek, mert még szórt fényre is érzékenyek, ívelt felületekre helyezhetők, nem olyan ridegek, mint a szilícium, és magas üzemi hőmérsékleten is hatékonyak.
Lásd még: A napelemek és modulok hatékonysága