Polovodičové fotovoltaické meniče energie (fotočlánky)
Fotobunky sú elektronické zariadenia určené na premenu energie fotónov na energiu elektrického prúdu.
Historicky bol vynájdený prvý prototyp modernej fotobunky Alexander G. Stoletov koncom 19. storočia. Vytvára zariadenie, ktoré funguje na princípe vonkajšieho fotoelektrického javu. Prvá experimentálna inštalácia pozostávala z páru rovnobežných plochých kovových plechov, z ktorých jeden bol vyrobený zo sieťoviny, ktorá umožňovala priechod svetla, a druhý bol pevný.
Na plechy bolo aplikované konštantné napätie, ktoré bolo možné nastaviť v rozsahu 0 až 250 voltov. Kladný pól zdroja napätia bol pripojený k mriežkovej elektróde a záporný pól k pevnej látke. Do schémy bol zahrnutý aj citlivý galvanometer.
Keď bola pevná plachta osvetlená svetlom z elektrického oblúka, ihla galvanometra vychýlený, čo naznačuje, že v obvode sa generuje jednosmerný prúd napriek skutočnosti, že medzi kotúčmi je vzduch.V experimente vedec zistil, že veľkosť „fotoprúdu“ závisí od použitého napätia aj od intenzity svetla.
Inštaláciu komplikuje Stoletov, ktorý umiestni elektródy do valca, z ktorého sa evakuuje vzduch a ultrafialové svetlo sa privádza na citlivú elektródu cez kremenné okienko. Takže to bolo otvorené fotografický efekt.
Dnes to na základe tohto efektu funguje fotovoltické meniče… Reagujú na elektromagnetické žiarenie dopadajúce na povrch prvku a premieňajú ho na výstupné napätie. Príkladom takéhoto prevodníka je solárny článok... Rovnaký princíp používa fotosenzitívne senzory.
Typická fotobunka pozostáva z vrstvy vysoko odolného fotocitlivého materiálu vloženého medzi dve vodivé elektródy. Ako fotovoltaický materiál pre solárne články sa bežne používa polovodič, ktorý, keď je plne osvetlený, je schopný dať na výstupe 0,5 voltu.
Takéto prvky sú najúčinnejšie z hľadiska generovanej energie, pretože umožňujú priamy jednostupňový prenos fotónovej energie — v elektrickom prúde... Za normálnych podmienok je pre takéto prvky normou účinnosť 28 %.
Tu dochádza k intenzívnemu fotoelektrickému efektu v dôsledku nehomogenity polovodičovej štruktúry pracovného materiálu.Táto nehomogenita sa získa buď dopovaním použitého polovodičového materiálu rôznymi nečistotami, čím sa vytvorí pn prechod, alebo spojením polovodičov s rôznou veľkosťou medzier (energie, pri ktorých elektróny opúšťajú svoje atómy), čím sa získa heteroprechod, alebo výberom takejto chemikálie. zloženie polovodiča, v ktorom sa vo vnútri objavuje gradient bandgap – štruktúra s odstupňovanou medzerou. Výsledkom je, že účinnosť daného prvku závisí od charakteristík nehomogenity získaných vo vnútri konkrétnej polovodičovej štruktúry, ako aj od fotovodivosti.
Na zníženie strát v solárnom článku sa pri ich výrobe používa množstvo predpisov. Po prvé sa používajú polovodiče, ktorých bandgap je optimálny práve pre slnečné žiarenie, napríklad zlúčeniny kremíka a arzenidu gália, po druhé sa vlastnosti štruktúry zlepšujú optimálnym dopovaním. Uprednostňujú sa heterogénne a odstupňované štruktúry. Vyberá sa optimálna hrúbka vrstvy, hĺbka p-n-prechodu a najlepšie parametre kontaktnej mriežky.
Vznikajú aj kaskádové prvky, kde pracuje viacero polovodičov s rôznymi frekvenčnými pásmami, takže po prechode jednou kaskádou sa svetlo dostáva do ďalšej atď. Nápad s rozkladom slnečného spektra vyzerá sľubne, aby každý z jeho oblasti sa transformujú zo samostatnej časti fotobunky.
V súčasnosti sú na trhu tri hlavné typy fotovoltaických článkov: monokryštalický kremík, polykryštalický kremík a tenký film.Tenké fólie sa považujú za najsľubnejšie, pretože sú citlivé aj na rozptýlené svetlo, dajú sa umiestniť na zakrivené povrchy, nie sú také krehké ako kremík a sú účinné aj pri vysokých prevádzkových teplotách.
Pozri tiež: Účinnosť solárnych článkov a modulov