Güneş panellerinin çalışma prensibi. Güneş panelleri nasıl çalışır ve nasıl çalışır?

Son yıllarda, sözde "alternatif enerji" giderek daha popüler hale geldi. Güneş ışınımının kullanımına özellikle dikkat edilir. Bu oldukça doğaldır, çünkü ışık ışınlarını elektriğe dönüştürebilen bir element yaratırsanız, bedava ve tükenmez bir enerji kaynağı elde edebilirsiniz. Ve böyle bir unsur yaratıldı. Buna "güneş fotoseli" veya "güneş pili" adı verildi ve bir güneş pilinin nasıl çalıştığını anlamak oldukça basit.

çalışma prensibi

Önemli olan, fotovoltaikleri güneş kollektörleri ile karıştırmamaktır (her ikisine de genellikle "güneş panelleri" denir). Kollektörlerin çalışma prensibi soğutucu akışkanın ısıtılmasına dayanıyorsa fotoseller doğrudan elektrik üretir. Çalışmaları, yarı iletken malzemelerde güneş ışığının etkisi altında akım üretilmesinden oluşan fotoelektrik etkiye dayanmaktadır.

Yarı iletkenler, atomları ya fazla sayıda elektron içeren (n-tipi) ya da tam tersi elektron içermeyen (p-tipi) maddeler olarak da adlandırılır. Ve elektronların potansiyel olarak yerleştirilebileceği p-elemanlarının yapısının bu alanlarına "delikler" adı verildi. Buna göre, yarı iletken tabanlı bir fotosel, iki katmandan oluşur. farklı şekiller iletkenlik.

Güneş panelleri böyle bir yapıyla nasıl çalışır? Aşağıdaki şekilde. Elemanın iç katmanı bir p-yarı iletkenden yapılmıştır, çok daha ince olan dış katmanı ise bir n-yarı iletkenden yapılmıştır. Katmanların sınırında, sözde " p-n bölgesi geçiş”, n-katmanında toplu pozitif yüklerin ve p-katmanında negatif yüklerin oluşması nedeniyle oluşur.

Bu durumda, geçiş bölgesinde yüklerin potansiyellerindeki farklılıktan kaynaklanan belirli bir enerji bariyeri ortaya çıkar. Ana yük taşıyıcıların nüfuz etmesini önler, ancak küçük olanları serbestçe ve zıt yönlerde geçirir. Güneş ışığının etkisi altında, fotonların bir kısmı elementin yüzeyi tarafından emilir ve ek "delik elektron" çiftleri üretir. Yani, elektronlar ve delikler bir yarı iletkenden diğerine hareket ederek onlara ek bir negatif veya pozitif yük aktarır. Bu durumda, n- ve p-katmanları arasındaki başlangıç ​​potansiyel farkı azalır ve dış devrede bir elektrik akımı üretilir.

Yapı özellikleri

Birçok modern fotoselde yalnızca bir tane bulunur. Pn kavşağı. Bu durumda, serbestçe geçen yük taşıyıcıları, yalnızca enerjileri geçiş sınırındaki "yasak bölge"nin genişliğinden büyük veya ona eşit olan fotonlar tarafından üretilir. Bu, daha düşük enerji içeriğine sahip fotonların basitçe kullanılmadığı anlamına gelir ve bu da hücrenin verimliliğini önemli ölçüde azaltır. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için çok katmanlı (daha sıklıkla dört katmanlı) foto yapılar oluşturuldu.

Güneş spektrumunun çok daha büyük bir bölümünü kullanmayı ve daha fazlasına sahip olmayı mümkün kılarlar. yüksek performans. Ayrıca fotoseller, ışınlar önce en geniş bant aralığına sahip geçiş üzerine düşecek şekilde dizilmiştir. Aynı zamanda, daha "enerji yoğun" fotonlar emilirken, daha düşük enerji rezervine sahip fotonlar daha derine iner ve geri kalan elementleri uyarır.

Güneş panelleri nedir?

Çalışma prensibi fotoelektrik etkiye dayanan güneş pilleri uzun zamandır yaratılmıştır. Üretimlerindeki ana zorluk, yeterince güçlü bir akım üretebilen malzemelerin seçiminde yatmaktadır. İlk deneyler selenyum hücreleriyle yapıldı, ancak verimlilikleri son derece düşüktü (yaklaşık %1). Günümüzde fotosellerde ağırlıklı olarak silikon kullanılmaktadır, bu tür cihazların verimliliği yaklaşık %22'dir. Ek olarak, sürekli olarak daha yüksek verimliliğe sahip yeni hücre türleri (örneğin, galyum veya indiyum arsenit kullanılarak) geliştirilmektedir. Günümüzde güneş panellerinin maksimum verimliliği %44,7'dir.

Ancak bu tür elementler çok pahalıdır ve şimdiye kadar sadece laboratuvar koşullarında üretilmiştir. Tek kristalli veya çok kristalli silikon bazlı hücreler ve ayrıca ince film elemanları yaygın olarak kullanılmaktadır. Tek kristalli foto piller daha pahalıdır, ancak daha yüksek performansa sahipken, polikristaller daha ucuzdur ancak homojen olmayan yapıları nedeniyle daha az verimlidir. İnce film hücrelerinin üretiminde kristaller değil, esnek bir alt tabaka üzerine biriktirilmiş silikon tabakalar kullanılır.

hakkında sık sık yazarız Farklı türde güneş dahil alternatif enerji. Bu makale, çalışma ilkeleri hakkında bir dizi makaleye başlar. çeşitli cihazlar yenilenebilir enerji üzerinde çalışıyor. Ve dikkate alınacak ilk şey güneş panelleridir. güneş enerjisi Son zamanlarda her yerde kullanılır: doğal ışık odalarda, su ısıtmada, kurutmada ve hatta bazen yemek pişirmede. Ancak, en önemli kullanım Güneş enerjisi belki de elektrik üretimidir. Ve böyle bir neslin ana unsuru bir güneş pilidir!

Güneş panellerinin yapısı

Güneş pili, seri ve paralel bağlı güneş pillerinden oluşur. Tüm fotoseller, iletken olmayan malzemelerden yapılmış bir çerçeve üzerine yerleştirilmiştir. Bu konfigürasyon, gerekli özelliklere (akım ve voltaj) sahip güneş panelleri toplamanıza olanak tanır. Ek olarak, bu, arızalı fotosellerin basit bir değiştirme ile değiştirilmesini mümkün kılar.

Çalışma prensibi

Genel olarak, bu elektrik üretme yöntemi, tek aşamalı olduğu için en verimli yöntem olmalıdır. Güneş enerjisini termodinamik bir geçiş yoluyla dönüştürmeye yönelik başka bir teknolojiyle karşılaştırıldığında (Kirişler -> Su ısıtma -> Buhar -> Türbin dönüşü -> Elektrik), geçişlerde daha az enerji harcanır.

Fotoselin yapısı

Yarı iletken tabanlı bir fotosel, farklı iletkenliğe sahip iki katmandan oluşur. ile katmanlara farklı taraflar harici bir devreye bağlanmak için kullanılan lehimli kontaklar. Katodun rolü, n-iletkenliğe (elektronik iletkenlik) sahip bir katman tarafından oynanır, anodun rolü, p-katmanı (delik iletkenliği) tarafından oynanır.

N-katmanındaki akım, fotoelektrik etki nedeniyle ışık onlara çarptığında "yok edilen" elektronların hareketiyle oluşturulur. p katmanındaki akım, "deliklerin hareketi" ile oluşturulur. Bir "delik", sırasıyla bir elektron kaybetmiş bir atomdur, elektronların bir "delikten" bir "deliğe" sıçraması, boşluklarda bir "hareket" yaratır, ancak uzayda "delikler" kesinlikle hareket etmez.

n- ve p-iletkenliği olan katmanların birleşiminde, bir p-n bağlantısı oluşturulur. Işık ışınlarının girmesi nedeniyle potansiyel bir fark yaratabilen bir tür diyot ortaya çıkıyor.

Fiziksel etki mekanizması

Bir fotoselin oluşturabileceği potansiyel fark (ve buna bağlı olarak EMF) birçok faktöre bağlıdır: güneş radyasyonunun yoğunluğu, fotoselin alanı, yapının verimliliği, sıcaklık (ısıtıldığında, iletkenlik düşer).

Fotoseller nelerden yapılmıştır?

Dünyadaki ilk fotosel, 1883'te Charles Fritts'in laboratuvarında ortaya çıktı. Altınla kaplanmış selenyumdan yapılmıştır. Ne yazık ki, böyle bir malzeme seti düşük sonuçlar verdi - yaklaşık% 1 verimlilik.

Güneş pillerinin kullanımındaki devrim, Bell Telefon laboratuvarının bağırsaklarında ilk silikon hücrenin oluşturulmasıyla gerçekleşti. Şirketin telefon santralleri için bir elektrik kaynağına ihtiyacı vardı ve bunu kullanan ilk şirket olduğu söylenebilir. alternatif kaynak güneş enerjisi hakkında.

Silikon hala güneş pillerinin üretimi için ana malzemedir. Genel olarak silikon (Silikyum, Silikon) Dünya'daki en yaygın ikinci elementtir, rezervleri çok büyüktür. Bununla birlikte, endüstriyel kullanımında bir tane var. büyük bir problem- temizliği. Bu işlem çok zaman alıcı ve maliyetlidir, bu nedenle saf silikon pahalıdır. Şimdi, verimlilik açısından silikondan daha aşağı olmayacak analoglar için bir araştırma yapılıyor. Bakır, indiyum, selenyum, galyum ve kadmiyum bileşikleri ile organik güneş pillerinin umut verici olduğu düşünülüyor.

Güneş Panelleri (Montajlar)

Ancak endüstriyel uygulamalar için tek bir fotoselin yarattığı potansiyel fark küçüktür. Cihazlara güç sağlamak için güneş pillerini kullanabilmek için birbirlerine bağlanırlar. Bunun sonucunda güneş panelleri güneş meclisleri, güneş modülleri). Ek olarak, fotoseller çeşitli koruyucu cam, plastik ve çeşitli film tabakaları ile kaplanmıştır. Bu, kırılgan elemanı korumak için yapılır.

Ana performans Güneş pili Watt (W, W) olarak ifade edilen tepe gücüdür. Bu özellik gösterir çıkış gücü optimum koşullar altında piller: güneş radyasyonu 1 kW / m2, ortam sıcaklığı 25 o C, güneş spektrumu 45 o geniş (AM1.5). Normal koşullar altında, bu tür göstergelerin elde edilmesi son derece nadirdir, aydınlatma daha düşüktür ve modül daha yüksek ısınır (60-70 dereceye kadar).

Fotoselleri seri olarak bağlayarak, paralel olarak bağlayarak potansiyel farkı - akımı artırıyoruz. Böylece, bağlantıları birleştirerek, akım ve gerilim için ve dolayısıyla güç için gerekli parametrelere ulaşmak mümkündür. Ayrıca bir güneş pili içinde sadece fotoselleri değil, aynı zamanda bir bütün olarak güneş pillerini de seri veya paralel olarak bağlamak mümkündür.

Güneş pili: cihaz ve çalışma prensibi

Kısa bir süre önce, henüz okuldayken, elektrik üretmek için bir güneş paneli harika bir şey gibi göründü. Bize sadece uzay gemilerinde kullanılabilecekleri gibi geldi. Ancak 20-25 yıl geçti ve güneş pilleri sadece saatlerde ve hesap makinelerinde görünmekle kalmadı, aynı zamanda özel evlere ve kulübelere elektrik sağlayabiliyor. Ve modern güneş enerjisi santralleri küçük kasabalara elektrik sağlayabilir. Güneş panelleri, Avrupa ülkeleri, ABD, İsrail ve güneş ışığının yüksek olduğu diğer bölgelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ve kullanımları zaten elektrik ve sıcak su temininde önemli tasarruflar sağlıyor.

Güneş enerjisi ısı ve elektriğe dönüştürülebilir. İnsan, güneş enerjisini ısı elde etme yönünde kullanmanın ilk adımlarını attı. Bu durumda dönüşüm olmadığını söyleyebiliriz. Çalışma prensibi basittir. Güneş ısısının toplanmasından oluşur. Bu nedenle, bunun için cihazlara güneş kollektörleri denir. Bu tür kurulumların çalışma prensibi, bir emici kullanarak ısıyı toplamak ve onu bir soğutucuya aktarmaktır. İkincisi su veya havadır. Bu tür kurulumlar genellikle özel evlerin ısıtılması ve sıcak su temini için kullanılır. İkinci kullanım durumu, onu elektriğe dönüştürmektir.

Gezegenimizdeki bitkiler, milyonlarca yıldır kimyasal bağların güneş enerjisini dönüştürüyor. Fotosentez adı verilen bu süreç glikoz üretir. Fotosentez ilkesi uzun zamandır insanoğlu tarafından bilinmektedir. Verilen bağlantıda bununla ilgili daha fazla bilgi edinin.

Bu yazımızda güneş panelleri ile elektrik üretimi konusuna değineceğiz. Bunun için fotovoltaik hücreler kullanılır. Bunlar, ışığa maruz kaldıklarında sabit bir elektrik akımı oluşturan silikon bazlı yarı iletkenlerdir. Kadmiyum, bakır ve indiyum içeren silikon bileşikleri, fotoseller için malzeme olarak kullanılır. Ayrıca, üretim teknolojisinde farklılık gösterebilirler.

• monokristal;
• polikristalin;
• Amorf.

Silikon monokristallerden yapılan fotovoltaik paneller en verimli olarak kabul edilir ve yüksek verimliliğe sahiptir. Polikristal silikon fotovoltaik hücreler daha ucuzdur ve watt başına en düşük maliyete sahiptir. Amorf silikon bazlı fotovoltaik hücreler de vardır. Onlardan yapılmıştır. Amorf silikondan üretilirler. Bu tür elementlerin üretimi mono ve polikristallere göre daha kolaydır. Sonuç olarak, fiyat daha düşüktür, ancak verimlilik arzulanan çok şey bırakır (% 5-6). Ayrıca amorf silikon paneller önceki iki tipe göre daha kısa servis ömrüne sahiptir. Elementlerin etkinliğini artırmak için silisyuma bakır, selenyum, galyum ve indiyum eklenir.

Fotovoltaik hücreler bir güneş pilinde birleştirilir. Kural olarak, pildeki fotosel sayısı 36'nın katıdır, ancak başka seçenekler de vardır. Güneş piline ek olarak, güneş enerjisi sistemleri elektriği biriktirmek ve dağıtmak için başka cihazlar da içerir. Özellikle bunlar:

• Pil (bir veya daha fazla);
• Çevirici (gerilimi 12 veya 24'ten 220 volta dönüştürür);
• Pilin şarj-deşarjını kontrol etmek ve ağa güç sağlamak için kontrolör.

Amaç açısından iki büyük gruplar cihazlar. Düşük güçlü güneş panelleri (on watt'a kadar) kullanılır. mobil araçlar veya Taşınabilir şarj aletişarj için. Özel evlerin ve yazlık evlerin elektrifikasyonu için daha fazla güç sistemi kullanılmaktadır. Genellikle evlerin çatılarında ve cephelerinde, daha az sıklıkla evin yakınındaki alanlarda bulunurlar. Güneşi takip etmenizi ve konumuna göre eğim açısını değiştirmenizi sağlayan cihazlar var. Şimdi güneş pilinin nasıl çalıştığını ve çalışmasının verimliliğini neyin belirlediğini görelim.

Güneş pili nasıl çalışır?

Güneş enerjisi seri bağlı fotovoltaik hücrelerde dönüştürülür. Bir güneş pilinin fotovoltaik hücreler düzeyinde çalışma prensibini düşünün. Fotoselin temeli bir silikon kristalidir. Silikon bileşikleri doğada çok yaygındır. En ünlüsü silikon oksit veya kumdur. Bir silikon kristali basitçe büyük bir kum tanesi olarak adlandırılabilir. Kristaller laboratuvarda yapay olarak büyütülür. Genellikle kübik formda ve daha sonra plakalarda elde edilirler. Bu plakaların kalınlığı sadece 200 mikrondur. İnsan saçından 3-4 kat daha kalındır.

Ortaya çıkan silikon gofretler üzerinde, bir tarafta bir bor, diğer tarafta fosfor tabakası biriktirilir. Silikon plaka ve boron arasındaki temas noktalarında fazla elektron vardır. Diğer tarafta, silikon levhanın fosforlu sınırı boyunca elektronlar eksiktir. Yaygın olarak adlandırıldıkları gibi "delikler" oluşur. Aşırı sayıda elektron ve bunların eksikliği ile sınırların bu şekilde kenetlenmesine p-n kavşağı denir.

Güneş ışığı pilin fotosellerine çarptığında, yüzeyleri fotonlarla bombardımana tutulur. Fosforlu arayüzdeki fazla elektronları atarlar ve boron ile arayüzdeki "deliklere" doğru hareket etmeye başlarlar. Böylece, elektronların düzenli bir hareketi olan bir elektrik akımı ortaya çıkar. Metal yollar, içinden akımın toplandığı fotosele bağlanır. Bu bir silikon fotoselin çalışma prensibidir.

Bugün, elektrik tasarrufu için evlerine ve kulübelerine güneş panelleri kuruluyor. Bu tür minyatür güneş sistemleri tüm yıl boyunca çalışır. Ana şey, panellerin yüzeyinin temiz olması ve güneşin parlamasıdır. Bazı durumlarda, soğuk güneşli bir günde verimlilikleri yazınkinden daha yüksektir. Bunun nedeni, ısıtmanın işlerinin verimliliğini bir şekilde düşürmesidir.

Merkezi ağlardan elektriği tamamen terk etmenin imkansız olduğu hemen belirtilmelidir. Ancak, bir güneş paneli kurarak, kullanım maliyetlerinden önemli ölçüde tasarruf etmek mümkün olacaktır. Seçenek elbette bir daire için uygun değil. Sadece böyle bir sistemin çalıştırılması normaldir. kır evi veya kurulum için yeterli alanın olduğu ülkede Solar paneller.

Rusya'nın orta bölgelerinde, güneş sistemi yaklaşık 5 yılda kendini amorti ediyor. Güney bölgelerde, geri ödeme süresi önemli ölçüde azalır. Kollektörler genellikle bir evi ısıtmak için güneş panelleri ile birlikte kurulur. Artık tüm yıl boyunca suyu ısıtabilen fabrika yapımı güneş kollektörleri var.

Güneş panellerinin montajı ile ilgili olarak, burada aşağıdaki noktalara dikkat edilmelidir:

• Paneller çatının güney tarafına, cepheye veya güney tarafı olan sahaya monte edilmelidir;
• Eğim açısı, bölgenizin enlem değerine karşılık gelir;
• Yakınlarda güneş panellerine gölge düşürecek hiçbir nesne bulunmamalıdır;
• Panellerin yüzeyi düzenli olarak kir ve tozdan arındırılmalıdır;
• Güneşin konumunu izleyen sistemlerin kullanılması arzu edilir.

Artık güneş panellerinin prensibini ve yeteneklerini anlıyorsunuz. Merkezi elektrik arzından vazgeçilmemesi gerektiği açıktır. Modern güneş sistemleri henüz bulutlu havalarda eve tam olarak enerji sağlayamıyor. Ama parça olarak kombine sistem evde enerji kaynağı, çok uygundurlar.

Görünüşe göre güneş pili son zamanlarda uzay araçları, yörünge istasyonları ve ay gezicileri ile güçlü bir şekilde ilişkilendirildi. Ve artık ışıktan elektrik çıkarabilen bir cihaz herhangi bir hesap makinesinde bulunabilir. Ayrıca, İtalya, İspanya, Portekiz, Amerika Birleşik Devletleri'nin güney eyaletleri vb. Güneş enerjisi, elektrik ve ısı temini için önemli bir maliyet tasarrufu kalemidir.Üstelik bu tasarruf hem vatandaşların özel inisiyatifiyle hem de İspanya'da olduğu gibi zorunlu devlet düzenlemeleri şeklinde gerçekleşiyor.

Güneş enerjisini kendileri için çalıştırma girişimleri uzun zamandır insanlık tarafından yapılmıştır, bu nedenle efsaneye göre Arşimet, birçok aynayla odaklanma emri vererek Roma filosunu yaktı (başka bir versiyonda, kalkanlar parlatıldı) Güneş ışığı Roma kadırgalarının yelkenlerinde. Ancak güneş enerjisine boyun eğdirme girişiminin göze çarpan sonuçları yalnızca geçen yüzyılda verildi. Güneş enerjisinden yararlanmanın yolları nelerdir?

elektrik nasıl alınır

Bunun en bariz yolu, güneşin ışık enerjisini ısıya dönüştürmektir. Açıkça söylemek gerekirse, buna dönüşüm bile denemez, çünkü ışık ve ısı aynı niteliktedir ve yalnızca frekansları farklıdır, ısının toplanmasından bahsetmek daha doğru olur. Güneş ısısını toplamak için - denilen cihazlar ("toplayıcı" kelimenin tam anlamıyla toplayıcı anlamına gelir). Çalışma prensibi son derece basittir - soğutucu (su, daha az sıklıkla hava), ısı emici malzemeden yapılmış bir radyatörde ısıtılır. Bu tür cihazlar, özel evlerin sıcak su temini için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bir diğer ilginç yol doğa bize en yakın armatürün enerjisini kullanmamızı söyler. Milyonlarca yıllık evrim boyunca bitkiler, basit maddelerden karmaşık bir bileşik olan glikozu sentezleyerek güneş enerjisini kimyasal bağların enerjisine dönüştürmeyi öğrendiler. Okulda botaniği atlamayan herkes elbette fotosentezden bahsettiğimizi tahmin etti. Ancak, tam olarak güneş enerjisinin birikmesinden ve bunun "kişisel" amaçlar için (kış dahil) daha fazla kullanılmasından oluşan bu sürecin enerji özünü herkes düşünmedi. Yani biyoenerjiden bahsediyoruz. Gerçek ve evde büyümüş sihirbazların bahsettiği şey değil. Bu çalışma prensibine göre güneş enerjisini kullanma yöntemi, insan yapımı teknolojide uygulanmayı beklemektedir.

Yukarıda da belirttiğimiz gibi güneş enerjisini kişisel amaçlar için kullanmanın en kolay yolu termal enerji toplamaktır. Ancak, "en kolay" her zaman "en iyi" anlamına gelmez. Gerçek şu ki, termal enerjinin “bozulabilir bir ürün” olduğu söylenebilir. Isıyı "korumaya" çalışın veya uzun mesafeler. Büyük olasılıkla, maliyetler tüm olası faydaları kapsayacaktır. Enerjinin biriktirilmesi ve taşınması için en uygun şekli elektriktir. olmadan yapılabilir özel problemler pillerde toplayın veya çalışacağı yere tel ile aktarın, minimum kayıplar. Bundan, güneş ışığını kullanmanın en yaygın üçüncü yolu gelir - onu güneş ışığına dönüştürmek elektrik enerjisi.

Nasıl çalışır

Güneş ışığının dönüşümü, "güneş pilleri" adını öğrenmiş olan fotovoltaik hücrelerin pillerinde (yani seri bağlı gruplarda) gerçekleşir. Güneş panelleri hangi prensibe göre çalışır?

Güneş pilinin kalbi bir silikon kristalidir. Her gün silikonla (daha doğrusu oksitleriyle) karşılaşıyoruz - bu bize tanıdık gelen kum. Bu nedenle, bir silikon kristalinin laboratuvarda yetiştirilen dev bir kum tanesi olduğunu söyleyebiliriz. Kristaller bir küp şeklinde şekillendirilir ve iki yüz mikron kalınlığında platin (yaklaşık üç ila dört insan saçı kalınlığında) halinde kesilir.

Silikon plakanın bir tarafına ince bir fosfor tabakası, diğer tarafına ince bir boron tabakası uygulanır. Silisyumun borla temas ettiği yerde, fazla miktarda serbest elektron ortaya çıkar ve silikonun fosforla temas ettiği yerde, aksine, elektronlar yetersizdir, sözde "delikler" ortaya çıkar. Ortamın elektron eksikliği ve fazlası ile birleşimine denir. p-n fizik geçiş. Işık fotonları plakanın yüzeyini bombalar ve fazla fosfor elektronlarını eksik bor elektronlarına vurur. Elektronların düzenli hareketi elektrik akımıdır. Sadece metal izleri plakadan geçirerek "birleştirmek" için kalır. Böylece prensip olarak bir silikon fotosel düzenlenmiştir.

Bir plaka fotoselin gücü oldukça mütevazı, sadece bir el feneri ampulünün çalışması için yeterli. Bu yüzden bireysel elemanlar akü sistemlerinde toplanır. Teorik olarak, elemanlardan herhangi bir güce sahip bir pil monte etmek mümkündür. Pil, mukavemeti artırmak için güçlendirilmiş ve camla kaplanmış metal bir alt tabaka üzerine yerleştirilmiştir. Güneş pilinin güneş spektrumunun sadece görünen kısmını değil, aynı zamanda ultraviyole kısmını da elektriğe dönüştürmesi önemlidir, bu nedenle pili kaplayan camın ultraviyole geçmesi gerekir.

Bir güneş pilinin önemli bir avantajı, ısıyı değil ışığı kullanmasıdır, bu nedenle, bir kollektörün aksine, bir güneş pili, bulutlar güneş ışığını örtmediği sürece kışın çalışabilir. Kuzeyde yazın, güneyde kışın meydana gelen altı aylık kutup gününde enerji biriktirecek olan Kuzey Kutbu ve Antarktika'da devasa güneş paneli tarlaları, yani iki dev güneş enerjisi santrali inşa etme projeleri var. asla aynı anda boşta kalmayacak.

Bunların hepsi uzak bir gelecekte ve evinizi minyatür bir güneş enerjisi santrali ile donatarak bugün bir güneş pilinin özelliklerinden yararlanabilirsiniz. Böyle bir istasyonun, elbette, evin elektrik ihtiyacını tam olarak karşılaması pek olası değildir, ancak şüphesiz, aile bütçesini kurtarmada hassas bir faktör haline gelecektir.

Yeryüzündeki tüm canlılar güneşin enerjisi sayesinde var olmuştur. Her saniye, gezegenin yüzeyine güneş radyasyonu şeklinde büyük miktarda enerji geliyor. Bizler evlerimizi ısıtmak için binlerce ton kömür ve petrol ürünü yakarken, ekvatora yakın ülkeler sıcaktan kıvranıyor. Güneşin enerjisini insan ihtiyaçları için kullanmak, meraklı zihinler için değerli bir iştir. Bu yazıda, güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren bir güneş pilinin tasarımını ele alacağız.

Tek kristal silikona dayalı bir güneş pilinin (SC) en basit tasarımı şekilde gösterilmiştir.

İnce gofret, farklı fiziksel özelliklere sahip iki silikon tabakasından oluşur. İç katman, "delik iletkenliğine" (p-tipi) sahip saf tek kristal silikondur. Dışında, örneğin bir fosfor karışımı (n-tipi) ile çok ince bir "kirlenmiş" silikon tabakası ile kaplanmıştır. (p-, n- ve hakkında p-n türleri diyotlarla ilgili makaleye bakın). Plakanın arka tarafına sağlam bir metal kontak uygulanır. -de sınırlar p-katmanları, yüklerin taşması sonucunda, n-katmanında telafi edilmemiş pozitif hacim yükü ve p-katmanında negatif hacim yükü ile tükenmiş bölgeler oluşur. Bu bölgeler birlikte bir p-n bağlantısı oluşturur.

Bağlantı noktasında ortaya çıkan potansiyel bariyer (temas potansiyel farkı), ana yük taşıyıcıların geçişini engeller, yani. p-tabakasının yanından elektronlar, ancak küçük taşıyıcıları zıt yönlerde serbestçe geçirir. P-n bağlantılarının bu özelliği, güneş pillerini güneş ışığı ile ışınlarken foto-emk elde etme olasılığını belirler. SC aydınlatıldığında, emilen fotonlar dengede olmayan elektron deliği çiftleri oluşturur. p-n kavşağına yakın p-katmanında üretilen elektronlar, p-n kavşağına ve mevcut Elektrik alanı n bölgesine çıkarılır.

Benzer şekilde n-katmanında oluşan fazla delikler kısmen p-katmanına aktarılır (Şekil a). Sonuç olarak, n-katmanı ek bir negatif yük kazanır ve p-katmanı pozitif bir yük alır. Yarı iletkenin p- ve n-katmanları arasındaki ilk temas potansiyeli farkı azalır ve dış devrede bir voltaj belirir (Şekil b). Akım kaynağının negatif kutbu n-katmanına ve p-katmanının pozitif kutbuna karşılık gelir.

Çoğu modern güneş pilinin tek bir p-n bağlantısı vardır. Böyle bir elementte, serbest yük taşıyıcıları yalnızca enerjisi bant aralığına eşit veya ondan büyük olan fotonlar tarafından oluşturulur. Başka bir deyişle, tek bir bağlantı hücresinin fotoelektrik tepkisi, güneş spektrumunun enerjisi bant aralığından daha yüksek olan kısmı ile sınırlıdır ve daha düşük enerjili fotonlar kullanılmaz. Bu sınırlama, farklı bant aralıklarına sahip iki veya daha fazla SC'nin çok katmanlı yapıları ile aşılabilir. Bu tür elemanlara çoklu bağlantı, kademeli veya tandem denir. Güneş spektrumunun çok daha büyük bir kısmı ile çalıştıkları için daha yüksek fotovoltaik dönüşüm verimliliğine sahiptirler. Tipik bir çok eklemli güneş hücresinde, tekli fotoseller arka arkaya dizilir, böylece güneş ışığı önce en büyük bant aralığına sahip hücreye çarparken, en yüksek enerjiye sahip fotonlar emilir.

Üst katman tarafından iletilen fotonlar, daha küçük bir bant aralığı ile bir sonraki öğeye nüfuz eder ve bu böyle devam eder. Kademeli elemanlar alanındaki araştırmanın ana yönü, galyum arsenidin bir veya daha fazla bileşen olarak kullanılmasıyla ilişkilidir. Bu tür güneş pillerinin dönüştürme verimliliği %35'e ulaşıyor! Teknolojik nedenlerle, ayrı bir Güneş pili sadece küçük bir boyut yapmak mümkündür, bu nedenle daha fazla verimlilik için pillere birkaç eleman bağlanır.

Güneş pilleri, çok çalışabilen oldukça güvenilir ve istikrarlı bir enerji kaynağı olarak uzayda kendilerini kanıtladılar. uzun zaman. Uzaydaki güneş pilleri için ana tehlike, silikon hücrelerin yüzey aşınmasına neden olan ve pil ömrünü sınırlayan kozmik radyasyon ve meteor tozudur. Küçük meskun istasyonlar için, bu akım kaynağı görünüşe göre tek kabul edilebilir ve yeterince etkili kaynak olarak kalacaktır.