Фотоволтаичен ефект

Г. Димитров КММ

Монтажът на вотоволтаични панели на Blackfriars Bridge над река Темза ше осигури 900 000 kWh електрическа енергия годишно.

Какво представляват фотоволтаичните панели?

• Първите данни за фотоволтаичния ефект датират от далечната 1839 г., когато френския учен Бекерел открива, че може да се добива електричество осветявайки два идентични електрода в слабо проводим химичен разтвор. Първото наблюдение на фотоволтаичния ефект от твърдо тяло, в случая селен, е от 1877г. Дълги години след това той се е използвал за измерване на светлината, тъй като се е нуждаел от малко енергия.

За разлика от фотоелектричния ефект, електроните не се отделят в пространството, в слдедствие на абсорбирането им на енергия от електромагнитната радиация. Въпреки това двата процеса са пряко свързани.

•

През 1905 Айнщайн прави задълбочени проучвания за този закон, псоледван от Шотки през 1930. През 1954 Чапин, Пеасон и Фулер правят силициевата клетка която е способна да преобразува в електричество до 6 % от слънчевите лъчи попаднали върху нея.

Полупроводниците представляват кристали с правилна структура. Кристалната решетка на силиция Si образува пространствена фигура тетраедър. Атомите са разположени в центъра и върховете тетраедъра. Централния атом се намира на еднакво разстояние от другите четири атома. Всеки атом на върховете на тетраедъра служи от своя страна като централен за други четири, най-близо разположени атоми.

Вотоволтаичната клетка разгледана като полупроводник В полупроводниците има 3 зони – проводима, валентна и забранена. За един полупроводник е важна забранената зона. Тя се намира между валентната и проводимата зона. Разстоянието между двете, изразено в енергия, се нарича широчина на забранената зона.

W = Wп +Wв Кристална решетка на силиций

• • При температура 0 К всички електрони на полупроводника се намират на своите орбити, т.е свободни електрони липсват. При това положение, ако в полупроводника се създаде електрическо поле, насочено движение на електрически товари няма да има и ток няма да тече. Следователно при абсолютната нула всички полупроводници са идеални диелектрици.

При повишаване на температурата топлинното движение на частиците става по-интензивно и някой валентни електрони се откъсват от атомите и стават свободни електрони. Откъсването обаче на един електрон от даден атом води до нарушаване на електрическата неутралност, защото положителния заряд на ядрото остава некомпенсиран и атомът се превръща в положителен йон. При полупроводниците откъснатия се електрон е общ за два съседни атома и положителния заряд, който се появява на мястото на електрона, принадлежи по-скоро към самата връзка, отколкото към кой да е от атомите. Така възникналият положителен заряд се нарича дупка и игра важна роля при електрическата проводимост на полупроводниците.

• • • •

Главните особености, които характеризират всички полупроводници са следните:

По своята електрическа проводимост (при стайна температура) чистите полупроводници заемат средно място между проводниците и изолаторите. Оттук е дошло и тяхното наименование; Прибавянето на нищожен процент примеси извънредно силно повишава естествената електрическа проводимост на полупроводниците; Температурата особено силно влияе върху електрическото съпротивление на полупроводниците, като с нейното повишаване съпротивлението им намалява. Следователно за разлика от металите полупроводниците имат отрицателен температурен коефициент на съпротивлението; Механизмът на електрическата проводимост на полупроводниците се различава качествено от този на металите. При металите електрическата проводимост е само електронна, а при полупроводниците тя е електронна и дупчеста.

Фотоелементите от първо поколение се състоят от еднослоен силициев p-n диод (диод с P-N преход) с голяма площ, който при наличие на слънчева светлина е способен да генерира използваема електрическа енергия. Фотоелементите от второ поколение се основават на многослойни p-n диоди. Всеки слой е проектиран да абсорбира светлинни вълни с нарастваща дължина на вълната (намаляваща енергия). Така се поглъща по-голяма част от слънчевия спектър и се увеличава количеството на усвоената енергия. Фотоелементите от трето поколение не използват традиционния p-n преход. Те включват батерии от органични полимери, фотоелектрохимични батерии и слънчеви батерии с полупроводников нанокристал.

Състояние при което не протича ток

Когато фотон попадне върху фотоволтаичният панел, могат да се случат две неща в зависимост от енергията на фотона. Ако тя е по-малка от енергията за прескачане от валентно квантово ниво до проводящо квантово ниво в силициевия полупроводник, то фотонът просто ще премине през силиция. Ако енергията на фотона е по-голяма от разликата в квантовите нива на атома, фотонът се поглъща от полупроводника и неговата енергия се отдава на електрон от кристалната решетка. Обикновено този електрон се намира във валентната зона. Той е свързан здраво със съседните атоми чрез ковалентни връзки и не е свободен. Получената енергия от фотона обаче го възбужда до проводящото енергийно ниво, електронът се откъсва и може да се движи свободно в полупроводника. Ковалентната връзка, от която е освободен електронът, остава незаета, образува се т.нар. „дупка“. Наличието на незапълнена ковалентна връзка позволява на свързаните електрони на съседни атоми да прескачат в дупката, оставяйки друга такава след себе си. По този начин дупката може да се придвижи в обема на пластината. Така погълнатият фотон създава два токоносителя, електрон и дупка, които могат да се придвижват в обема на силиция.

Когато върху слънчевата батерия попадне светлина, енергията на фотоните генерира двойки електрически носители, електрон и дупка, от двете страни на P-N прехода. Електроните дифундират в посока на по-ниско енергийно ниво, а дупките — в обратна посока. Докато светлината облъчва батерията, продължават да се формират нови двойки електрон-дупка. Натрупващите се електрони образуват отрицателен заряд в емитера (N-слоя), а дупките образуват съответстващ положителен заряд в базата (P слоя). Ако двете части на прехода се свържат с проводник, ще се образува затворена електрическа верига и ще протече ток. Токът продължава да тече, докато слънчевата батерия е осветена.

Приложения на фотоволтаичния ефект

Първоначално фотоволтаичните елементи са били използвани само в космическите апарати, тъй като не е имало друг начин за генериране на електроенергия в космоса.

Днес фотоволтаични елементи има навсякъде около нас.

С нарастване на цените на фосилните горива, хората търсят алтернативни източници на енергия.