Наверное многим интересно как солнечные батареи преобразуют световую энергию солнца в электрическую. На самом деле это довольно сложный процесс, который рассматривается в таком разделе физики как квантовая механика. Но мы постараемся разобраться в этом.
В основу солнечных батарей заложены полупроводниковые материалы. Это своего рода особый класс, который нельзя отнести ни к изоляторам, ни к проводникам. Если сравнить удельное сопротивление полупроводников при комнатной температуре, то оно может колебаться в пределах 10-3 – 109 Ом . см. Это меньше чем сопротивление изоляторов (свыше 109 Ом . см), но и больше чем проводников (меньше чем 10-3 Ом . см). Для изготовления солнечных элементов, как правило используют элементы, чье сопротивление лежит в пределах 10-3 – 102 Ом . см.
Полупроводники делятся на два типа: р и n. Наиболее часто используемым в солнечных элементах полупроводником является кремний (Si). Его получают из различного рода химических соединений, содержащих его, а также удаляют из него практически все примеси.
После очистки его плавят и получают монокристалл Si. Процесс этот имеет название выращивание искусственных кристаллов методом Чохральского.
При изготовлении Si для солнечных элементов производят легирование – добавляют определенное число примесей в расплавленный кремний. Элементы n – типа получают добавляя в качестве примеси элементы V группы таблицы Менделеева, например фосфор. У фосфора есть пять электронов на внешней оболочке. Поэтому при попадании в расплавленный кремний (а у Si есть только 4 электрона на внешней оболочке) занимает место атома Si в кристаллической решетке и передает ей дополнительный электрон. Из-за этого элементы V группы получили названия донорных.
При изготовлении Si р – типа для солнечных батарей проделывают точно такой же процесс что и для n – типа. Но вместо элементов V группы добавляют III группы, например бор. Он имеет три электрона на внешней оболочке и при добавлении его в расплавленный Si он забирает 1 электрон у кремния. В результате чего образовывается положительный заряд (из-за отсутствия электрона) который называется дыркой. Исходя из этого примеси данного типа получили названия акцепторных.
Дырки и электроны свободно передвигаются по объему полупроводника. Происходит процесс рекомбинации – когда электрон занимает место дырки. Однако после этого на месте где он был, возникнет новая дырка. Если к данной структуре приложить внешнее электрическое поле, то дырки начнут двигаться в одну сторону, а электроны в противоположную.
Для более ясного представления об устройстве солнечных элементов рассмотрим его схематически на рисунке ниже:
Где: а — фотоны А я В создают электронно-дырочные пары аа’ я bb’. Электрон с и дырка с’, которые образовались предыдущим фотоном, двигаются к контактам солнечного элемента. Электроны d, e, f и g двигаются по внешней цепи, таким образом получается протекание тока; b —дырка, образованная в следствии воздействия фотона А. прошла через переход и двигается к положительному контакту. Электрон, появившийся в следствии воздействия фотона В. тоже прошел через переход и продолжает движение к отрицательному контакту. Электрон с перешел из полупроводника в проводник. Электрон d перешел в полупроводник и рекомбинировал с дыркой с’.
Как же работает солнечный элемент? Представим что солнечная батарея (структура на рисунке выше) освещается солнечным светом. Фотоны, попадающие на поверхность солнечной батареи с различной энергией, будут поглощаться в полупроводниковом элементе. Фотоны А и В попав на поверхность солнечной установки выбили электрона из произвольных атомов, соответственно на месте них образовались дырки. Таким образом образовались электронно-дырочные пары. Теперь под влиянием электрических полей, образованных р – n переходом, дырки и электроны могут двигаться по материалу полупроводника. Соответственно n область притягивает электроны, р область дырки. На поверхности раздела электрон занимает место дырки. Это явление называется рекомбинацией. Причем после рекомбинации электрон становится нейтральным, пока следующий фотон не выбьет его и не нарушит электрическое равновесие.
Для подключения солнечных элементов к нагрузке их снабжают металлическими контактами. Неосвещенный солнечный элемент может проводить ток, который поступает от внешнего источника, только в одну сторону. Таким образом можно определить полярность полупроводниковым устройством источника питания.
