Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия, подробное видео. Солнечная батарея — принцип работы

Все живое на земле возникло, благодаря энергии солнца. Ежесекундно на поверхность планеты поступает огромное количество энергии в виде солнечного излучения. В то время, как мы сжигаем тысячи тонн угля и нефтепродуктов для обогрева жилища, страны, расположеные ближе к экватору изнывают от жары. Пустить энергию солнца на нужды человека - вот достойная для пытливых умов задача. В этой статье мы рассмотрим конструкцию прямого преобразователя солнечного света в электрическую энергию - солнечного элемента.

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) на основе монокристаллического кремния показана на рисунке.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий "дырочной проводимостью" (p-тип). Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора (n-тип). (О p-, n- и p-n типах см. статью о диодах). На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д. Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35%! По технологическим причинам, отдельный солнечный элемент возможно изготовить только небольшого размера, поэтому, для большей эффективности соединяют несколько элементов в батареи.

Cолнечные батареи прекрасно зарекомендовали себя в космосе как достаточно надежный и стабильный источник энергии, способный работать очень длительное время. Главную опасность для солнечных батарей в космосе представляют космическая радиация и метеорная пыль, вызывающие эрозию поверхности кремниевых элементов и ограничивающие срок службы батарей. Для небольших обитаемых станций этот источник тока, видимо, будет оставаться единственно приемлемым и достаточно эффективным.

В последние годы так называемая «альтернативная энергетика» пользуется все большей популярностью. Особое же внимание уделяется использованию излучения солнца. Это вполне закономерно, ведь если создать элемент, который способен преобразовать световые лучи в электричество, можно получить бесплатный неиссякаемый энергоисточник. И такой элемент был создан. Он был назван «солнечным фотоэлементом» или «солнечной батареей», причем как работает солнечная батарея, разобраться довольно просто.

Принцип действия

Главное – не путать фотобатареи с солнечными коллекторами (и те, и другие часто именуют «солнечными панелями»). Если принцип действия коллекторов основан на нагревании теплоносителя, то фотоячейки производят непосредственно электричество. В основе их работы – фотоэлектрический эффект, заключающийся в генерации тока под воздействием солнечных лучей в полупроводниковых материалах.

Полупроводниками же называют вещества, атомы которых либо содержат избыточное количество электронов (n-тип), либо наоборот, испытывают их недостаток (p-тип). А те области структуры p-элементов, где потенциально могли бы находиться электроны, получили название «дырок». Соответственно, фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разными типами проводимости.

Как работают солнечные батареи с такой структурой? Следующим образом. Внутренний слой элемента выполняется из p-полупроводника, внешний, гораздо более тонкий, - из n-полупроводника. На границе слоев возникает так называемая «зона p-n перехода», образовавшаяся за счет формирования объемных положительных зарядов в n-слое и отрицательных – в p-слое.

При этом в зоне перехода возникает определенный энергетический барьер, вызванный разностью потенциалов зарядов. Он препятствует проникновению основных носителей электрозаряда, но свободно пропускает неосновные, причем в противоположных направлениях. Под действием же солнечного света часть фотонов поглощается поверхностью элемента и генерирует дополнительные «дырочно-электронные» пары. То есть электроны и дырки перемещаются из одного полупроводника в другой, передавая им дополнительный отрицательный или положительный заряд. При этом первоначальная разность потенциалов между n- и p-слоем снижается, а во внешней цепи генерируется электроток.

Особенности структуры

Многие современные фотоячейки имеют только один p-n переход. При этом свободно переходящие носители заряда генерируются лишь теми фотонами, энергия которых либо больше, либо равна ширине «запрещенной зоны» на границе перехода. Это означает, что фотоны с более малым запасом энергии попросту не используются, что в свою очередь заметно снижает эффективность ячейки. Для преодоления этого ограничения были созданы многослойные (чаще – четырехслойные) фотоструктуры.

Они позволяют использовать значительно большую часть солнечного спектра и обладают более высокой производительностью. Причем располагают фотоэлементы таким образом, чтобы лучи попадали сначала на переход с самой широкой запрещенной зоной. При этом поглощаются более «энергоемкие» фотоны, фотоны же с меньшим запасом энергии проходят глубже и стимулируют остальные элементы.

А какие бывают солнечные батареи?

Солнечные элементы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, создаются уже давно. Главная трудность при их производстве заключается в подборе материалов, способных генерировать достаточно мощный ток. Первые опыты проводились с селеновыми ячейками, но их эффективность была крайне мала (около 1%). Сейчас в фотоэлементах используется в основном кремний, производительность таких устройств составляет порядка 22%. Кроме того, постоянно разрабатываются новые образцы ячеек (например, с использованием арсенида галлия или индия), имеющих более высокий КПД. Максимальная же эффективность солнечных батарей на сегодняшний день составляет 44,7%.

Но такие элементы очень дороги и пока что производятся только в лабораторных условиях. Широкое же распространение получили ячейки на базе монокристаллического или поликристаллического кремния, а также тонкопленочные элементы. Фотобатареи на монокристаллах стоят дороже, но имеют большую производительность, поликристаллы же более дешевы, но из-за неоднородной структуры менее эффективны. При производстве же тонкопленочных ячеек применяются не кристаллы, а напыленные на гибкую подложку кремниевые слои.

В последнее время активно развиваются технологии получения альтернативной энергии. Это солнечные батареи (СБ), ветровые станции и ряд иных устройств. Особенно перспективными считаются СБ или так называемые фотоэлектрические панели, ведь с учетом почти вечной жизни солнца такая энергия является неисчерпаемой. Несмотря на их пока что сравнительно высокую стоимость, они обеспечивают получение бесплатной и экологически чистой энергии. Тем не менее, цены на СБ год из года снижаются, что свидетельствует о больших перспективах их повсеместного внедрения.

Устройство солнечных батарей

Солнечная батарея представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта.

1 — Контроллер
2 — Батарея
3 — Инвертор
4 — Модуль
5 — Электрооборудование

Солнечная батарея включает в себя следующие элементы:

, состоящий из двух слоев материалов с различной проводимостью. К примеру, это может быть поликристаллический или монокристаллический кремний с включением иных химических соединений для создания принципа фотоэффекта p-n перехода. То есть, один материал имеет недостаток электронов, а другой – их избыток.
, тончайший слой элемента, который противостоит переходу электронов.
. При его подключении к противостоящему слою, запорная зона легко преодолевается электронами. В результате появляется упорядоченное движение зараженных частиц, то есть электрический ток.
. Обеспечивает накопление и сохранение энергии.
. Производит преобразование постоянного тока, идущего от солнечной батареи, в переменный.
. Обеспечивает в системе солнечной батареи создание напряжения необходимого диапазона.

Принцип действия

Солнечный свет в виде фотонов света попадает на поверхность солнечной батареи.
При столкновении с поверхностью полупроводника фотоны передают энергию электронам полупроводника.
Электроны, выбитые из полупроводника вследствие удара, преодолевают защитный слой, имея при себе дополнительную энергию.
В результате отрицательные электроны переходят в проводник n из p-проводника, а положительные совершают обратный маневр. Подобному переходу способствуют электрические поля, которые на данный момент имеются в проводниках. Впоследствии они увеличивают разность и силу зарядов.

Если батарея, освещенная солнцем, замкнута на определенную нагрузку с сопротивлением R, то наблюдается появление электрического тока I. Его величина определяется сопротивлением нагрузки, интенсивностью освещения и качеством фотоэлектрического преобразователя. Мощность P, выделяемая в нагрузке определяется формулой P= I*U, где U показывает напряжение на зажимах батареи.

Виды

В зависимости от применяемых материалов солнечные батареи могут быть:

Панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов. Они эффективны, однако более дороги, КПД составляет 14-16%. У монокристаллических элементов многоугольная форма, вследствие чего всю площадь заполнить трудно;
Панели из аморфного кремния. Такие батареи демонстрируют низкий КПД в пределах 6-8%. Но среди кремниевых технологий преобразователей у них наиболее дешевая электроэнергия;
Панели из теллурида кадмия выполняются на базе пленочной технологии. Нанесение полупроводникового слоя осуществляется слоем в несколько сотен микрометров. КПД составляет 11%, но в сравнении с кремниевыми батареями ватт мощности обходится дешевле на десятки процентов;
Панели на базе полупроводников CIGS, которые состоят из селена, галлия, индия и меди. КПД таких панелей доходит до 15%;
Полимерные панели. Это разновидность тонкопленочных батарей, принцип работы которых напоминает фотосинтез растений. Включает слой полимера, защитный слой, гибкую подложку и алюминиевые электроды. КПД 5-6%;
Наиболее распространенными вследствие оптимального соотношения КПД и цены являются панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов. Их КПД достигает 12-14%.

СБ также можно условно разбить на следующие типы:

Тонкопленочные или гибкие (на базе теллурида кадмия, кристаллические и аморфные);
Жесткие (из кристаллического кремния, иногда аморфного);
Односторонние (поглощают свет одной стороной);
Двухсторонние (поглощают свет обеими сторонами).

Особенности

Заряд аккумуляторной батареи при слабом солнечном свете уменьшается, отдавая электроприемнику электрическую энергию, то есть идет постоянная работа в режиме зарядки и разряда. Контроль выполняется специальным контроллером.
СБ не требуют никаких специальных профилактических работ. Может потребоваться лишь протирание пыли.
Панели можно использовать и зимой, однако производительность в этот период уменьшается в полтора-два раза. Чтобы на панелях не накапливается снег, их следует устанавливать под углом 70 градусов на возвышении.
Солнечные батареи лучше всего подойдут для автономных систем, в которых много бытовых энергоэффективных электроприборов, не включенных постоянно.

Применение

Солнечные батареи могут применяться практически повсеместно:

Электромобили.
Портативная электроника.
Калькуляторы, фонарики, плееры и так далее, то есть везде, где требуется подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники.
Авиация. Так создан самолет Solar Impulse, работающий только на солнечной энергии.
Энергообеспечение домов, школ, аэропортов и иных зданий. Солнечные батареи широко используются в субтропических и тропических регионах, где много солнечных дней. В особенности популярны они в странах Средиземноморья.
Использование в космосе. СБ ставят на МКС, устанавливают на спутниках, космических и межпланетных аппаратах, а также многое другое.

Достоинства и недостатки

Среди преимуществ можно отметить:

Экологичность;
Долговечность, фотоэлементы служат несколько десятков лет;
Простой принцип работы. Благодаря чему поломок в солнечной батарее практически не бывает;
Бесшумность;
Возможность постоянной работы;
Не нужно топлива;
Общедоступность;
Возможность изменения мощности системы.

Среди недостатков можно отметить:

Низкий КПД. Нужна большая площадь батарей, чтобы обеспечить нужды даже небольшой семьи;
Сложность сборки системы и наладки;
Достаточно высокая стоимость солнечных батарей, а также низкая окупаемость системы.

Перспективы

Стремление человечества к экологичности и отказу от нефти приведет к внедрению все больших энергосберегающих технологий. Это значит, что солнечные батареи будут использоваться повсеместно. А создание панелей с более высоким КПД позволит:

Оборудовать большинство зданий панелями для получения энергии;
Монтировать их в автомобили, дороги, роботы и многочисленные иные приборы;
Устанавливать их в одежду и даже вживлять в человека. Южнокорейские ученые уже создали подкожную солнечную батарею, которая в 15 раз тоньше волоса. Она обеспечивает бесперебойную работу приборов, которые имплантированы в тело, к примеру, кардиостимулятора.

Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.

Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.

Все дело в кремнии

Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.

Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.

Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)

Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.

"Сэндвич" из кремния и токопроводящих слоев

Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.

Структура атомов кремния

Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:

Кремний N-типа имеет избыток электронов
Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)

Кремний Р и N типа

Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.

Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р - сторону пластины.

После "освобождения" электрон стремится к проводнику

Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка:) . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».

Работа фотоэлемента

Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.

Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.

Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?

Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.

Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты

Видео о том, как производят солнечные батареи.

В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.

Получили настолько широкое распространение, что каждый пользователь может заказать комплектующие и самостоятельно своими руками собрать и установить фотоэлектрические панели. Конечно, вопрос цены остаётся актуален, ведь солнечные панели совсем не дешёвый вариант, зато это экологично. А стоимость, с каждым годом становится всё дешевле. Так что каждый, наверняка сталкивался с идеей использования такого источника электричества, но вот принцип работы солнечной батареи знает далеко не каждый.

Видео о том, как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи

Чтобы понять как работает солнечная батарея необходимо разобраться из чего она состоит. Как правило солнечный источник энергии состоит из таких частей:

Генератор постоянного тока (она же солнечная панель)

Аккумулятор с контролем заряда и инвертором, преобразующим ток в переменный

В свою очередь панель состоит из фотоэлектрических преобразователей , которые, говоря простым языком, трансформируют солнечную энергию в электрическую. Чаще всего это поликристаллические или монокристаллические кремниевые батареи. Разница в КПД и технологии производства.

Принцип работы солнечной электростанции заключается в последовательном взаимодействии ряда элементов единой сети. Соединяются элементы в солнечной панели последовательно и параллельно. Делается это для того, чтобы увеличить мощность, напряжение и ток. Плюс, такое соединение обезопасит при выходе из строя одного элемента — остальные детали цепи.

Также батареи пронизаны так называемыми диодами. Принцип действия солнечных батарей основывается именно на этих элементах. Такие диоды предохраняют панель во время частичного затемнения. Во время таких затемнений, батарея не прерывает свою работу, но вырабатывает на четверть меньшую мощность. Суть в том, что диоды не дают перегревать солнечные элементы, которые во время затемнения начинают потреблять электричество вместо того, чтобы вырабатывать.

Дальше электроэнергия накапливается в аккумуляторах. А после уже отдаётся в систему. Важный момент в том, чтобы количество параллельно и последовательно соединённых элементов в солнечной панели, было расчитано таким образом, чтобы напряжение, которое подведено к аккумуляторам, превышало напряжение самого аккумулятора. Даже с учётом просадки. При этом нагрузочный ток солнечной батареи должен обеспечивать достаточное количество зарядного тока. Этот параметр обязательно учитывается при .

Ещё один важный фактор в работе солнечных панелей — полезная мощность. Именно этот показатель отражает экономичность использования для пользователя. Высчитывается такая мощность исходя из напряжения и выходного тока установки. А эти показатели в свою очередь зависят от силы солнечного освещения, которое попадает непосредственно на панель. Кстати, слишком большие температуры для работы солнечных батарей не полезны. Ведь при интенсивном нагревании солнцем, у электровырабатывающих элементов падает так называемая электродвижущая сила. Тем не менее, чем ярче освещения от солнца, тем больший ток вырабатывается.

Теперь немного формул о принципе работы солнечных батарей.

Как работает солнечная панель? К примеру, солнечная батарея замкнута на нагрузку с измерянным сопротивлением (Rн) . В цепи, следовательно, появляется ток (I) . При этом показатель I формируется в прямой зависимости от качества преобразователя в цепи, силой солнечного освещения и сопротивления. Далее разберём Uн . Uн — это напряжение, которое создаётся на зажимах солнечных батарей. В итоге зная эти показатели, мы можем высчитать мощность, которая появляется в нагрузке на установку: Pн = IнUн

Однако оптимальное сопротивление у каждой панели своё и зависит оно от уровня КПД.

При пасмурной погоде заряд аккумуляторов из-за меньшей выработки панелями электричества, естественно снижается. Во время такого процесса, электроэнергию принимает приёмник. Другими словами, аккумуляторы работают всегда либо на заряд либо на разряд. Этот механизм взаимодействия управляется контроллером.

Чаще всего работа аккумуляторов в цепи устроена таким образом, что они очень быстро заряжаются до 80-90%, а потом долго набирают остаток заряда. На сегодняшний день самые эффективные для использования в системах альтернативного снабжения электроэнергией батареи — гелевые. Такие батареи не требуют обслуживания и неприхотливы в условиях работы. При этом срок службы обычно достигает 10 лет.

Контроллер, резистор и инвертор

Контроллер необходим для подключения аккумуляторов в сеть. Он контролирует заряд.

Резистор поглощает избыточную мощность выработки электроэнергии.

Инвертор необходим для нормального снабжения электросети, кроме тех случаев, когда необходимо запитать приёмники, которые работают от постоянного напряжения, а не от переменного.

Конечно, разобраться во всех тонкостях работы сложно. Но надеемся, Вы найдёте ответы на страничках нашего сайта. Более наглядно работу солнечных элементов можно понять из графических схем.