Prinsip operasi sel suria. Skim, penerangan

Perpustakaan teknikal percuma

ENSIKLOPEDIA ELEKTRONIK RADIO DAN KEJURUTERAAN ELEKTRIK
Perpustakaan percuma / Skim peranti radio-elektronik dan elektrik

Prinsip operasi sel suria. Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik

Perpustakaan teknikal percuma

Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik / Sumber tenaga alternatif

Komen artikel

Walaupun ramai di antara kita tidak menyedarinya, cara menjana elektrik daripada cahaya matahari telah diketahui sejak lebih 100 tahun lalu. Fenomena fotoelektrik pertama kali diperhatikan oleh Edmond Becquerel pada tahun 1839. Dalam salah satu daripada banyak eksperimennya dengan elektrik, beliau meletakkan dua plat logam dalam larutan konduktif dan menerangi pemasangan dengan cahaya matahari. Yang sangat hairan, dia mendapati bahawa daya gerak elektrik (EMF) dijana dalam proses ini.

Penemuan tidak sengaja ini tidak disedari sehingga 1873, apabila Willoughby Smith menemui kesan yang sama apabila plat selenium disinari dengan cahaya. Dan walaupun eksperimen pertamanya tidak sempurna, ia menandakan permulaan sejarah sel suria semikonduktor.

Dalam mencari sumber tenaga baharu, Bell Labs mencipta sel suria silikon, yang menjadi pelopor penukar fotovoltaik hari ini.

Hanya pada awal 50-an. sel suria telah mencapai tahap kesempurnaan yang agak tinggi.

Asas teori semikonduktor

Silikon adalah bahan semikonduktor utama dalam elektronik moden. Kebanyakan sel solar moden juga diperbuat daripada silikon.

Semikonduktor ialah bahan yang bukan pengalir yang baik mahupun penebat yang baik. Sebagai contoh, tembaga adalah konduktor yang sangat baik, skopnya sangat luas. Di mana sahaja ia diperlukan untuk memindahkan tenaga elektrik dari satu tempat ke tempat lain, tembaga adalah pembantu yang sangat diperlukan. Perkara yang sama boleh dikatakan mengenai aluminium.

Sebaliknya, kaca mempunyai kekonduksian elektrik yang boleh diabaikan tetapi merupakan dielektrik yang baik. Jika anda perlu menyekat laluan arus elektrik, penebat kaca akan berjaya menyelesaikan masalah ini. Dengan cara ini, penebat kepingan tiang dalam telefon pertama diperbuat daripada kaca.

Prinsip kerja sel suria
Rajah 1

Kekonduksian elektrik semikonduktor terletak di antara dua kes pengehad ini. Dalam sesetengah aplikasi, semikonduktor boleh berfungsi sebagai konduktor, dalam yang lain mereka boleh berfungsi sebagai penebat. Walau bagaimanapun, silikon tulen masih lebih dekat dengan penebat dan menghantar elektrik dengan sangat teruk. Sebab untuk ini adalah kerana keanehan struktur kristalnya.

Atom silikon disambungkan antara satu sama lain dengan bantuan elektron valens yang dipanggil. Adalah lebih baik untuk menganggap hubungan ini sebagai "tangan". Setiap atom silikon mempunyai empat lengan.

Atom silikon sangat "bergaul", mereka tidak suka kesepian. Oleh itu, mereka cuba memegang "tangan" dengan atom yang mengelilingi mereka.

Oleh kerana setiap atom mempunyai empat "tangan" yang mana ia mengambil "tangan" jirannya, bersama-sama mereka membentuk kekisi yang ditunjukkan dalam Rajah. 1. Akibatnya, keempat-empat "lengan" atom diduduki. Akibatnya, dalam struktur sedemikian tidak ada elektron bebas ("tangan"), dan tanpa elektron bebas, arus elektrik hampir tidak mungkin.

Untuk keperluan elektronik, keadaan ini tidak boleh diterima. Untuk arus mengalir, kristal mesti mempunyai elektron bebas. Ini dicapai dengan memasukkan bendasing ke dalam bahan asal. Proses ini dipanggil doping.

Doping semikonduktor

Mari kita anggap bahawa kita mengambil dan menggantikan satu atom silikon dalam struktur kristal kita dengan atom yang mempunyai valensi bersamaan dengan lima (dengan kata lain, mempunyai lima "lengan". Sebagai contoh, atom sedemikian ialah atom boron. Pernah antara "baharunya". jiran" dan mengambil mereka "dengan tangan", atom ini tidak lama lagi akan mendapati bahawa satu "tangan" daripadanya adalah bebas. (Penulis tersilap - atom fosforus dengan valensi lima digunakan sebagai penderma (sumber elektron bebas) , dan sebagai penerima, membolehkan anda memasukkan cas positif kristal silikon (lubang), atom boron digunakan, yang dicirikan oleh valensi tiga. - Lebih kurang ed.)

Prinsip kerja sel suria
Rajah 2

"tangan" yang tidak berkaitan ini hanyalah elektron bebas. Oleh kerana atom boron lebih kurang berpuas hati bahawa empat daripada lima "lengan" - elektronnya telah diduduki, ia tidak begitu bimbang tentang nasib yang kelima. Pada gangguan sedikit pun, elektron akan "terputus".

Inilah intipati doping. Lebih banyak kekotoran yang kita masukkan ke dalam kristal, lebih banyak elektron bebas akan berada di dalamnya dan lebih baik silikon akan mengalirkan arus elektrik.

Semasa doping, proses sebaliknya juga boleh berlaku. Jika atom silikon digantikan oleh atom trivalen, seperti fosforus, lubang yang dipanggil akan muncul dalam struktur kita. Akibatnya, terdapat kekurangan elektron dalam kristal, dan ia akan mudah menerimanya ke dalam kisinya.

Disebabkan fakta bahawa dalam struktur sedemikian, atom cuba menangkap elektron, lubang yang terhasil akan bergerak melalui struktur yang kekurangan elektron. Malah, elektron bergerak dari satu lubang ke satu lubang dan dengan itu mengalirkan elektrik.

Pembuatan sel suria

Sekarang anda mungkin berfikir bahawa jika anda mengambil kristal silikon doped dengan kekurangan elektron dan kristal doped dengan lebihan elektron dan meletakkannya bersama-sama, sesuatu mesti berlaku.

Prinsip kerja sel suria
Rajah 3

Dengan sentuhan mekanikal yang rapat antara dua kristal, atom-atom di kawasan berhampiran permukaan menghampiri satu sama lain sehingga atom fosforus mudah mendermakan elektron tambahannya, dan atom boron mudah menerimanya.

Akibatnya, keseimbangan elektrik kristal dipulihkan. Tetapi ingat bahawa kristal mempunyai struktur yang sangat tegar, jadi pertukaran hanya akan berlaku antara atom yang paling rapat antara satu sama lain. Ketebalan kawasan sentuhan ini tidak melebihi saiz beberapa atom, dan isipadu semikonduktor kekal tidak berubah.

Sudah tentu, ia memerlukan lebih daripada sekadar menggabungkan dua keping silikon bersama untuk mendapatkan kesan ini. Silikon biasanya didop menggunakan proses resapan suhu tinggi. Akibatnya, di sempadan antara kawasan di kedalaman semikonduktor, didopkan dengan kekotoran yang berbeza, kawasan antara muka hiperthin, dipanggil simpang pn, terbentuk.

Di dalam kawasan inilah penukaran cahaya kepada elektrik berlaku.

Apabila zarah cahaya, dipanggil foton, menyerang simpang pn dengan tenaga yang mencukupi, ia mengetuk elektron, menjadikannya bebas, iaitu, mampu bergerak. Tenaga foton kemudiannya dipindahkan ke elektron. Dalam kes ini, lubang terbentuk dalam kekisi kristal. Perlu diingat bahawa kawasan peralihan cenderung untuk mengekalkan keseimbangan. Proses ini, yang dipanggil fotoionisasi, berlaku bukan sahaja di kawasan persimpangan pn, tetapi juga di mana-mana bahagian kristal yang lain, di mana cahaya matahari menembusi, mempunyai tenaga yang cukup besar yang diperlukan untuk mencipta pembawa cas bebas - elektron dan lubang.

Disebabkan fakta bahawa terdapat kekurangan lubang dalam bahan jenis-n, dan kekurangan elektron dalam bahan jenis-p, lubang dan elektron dipisahkan dan berhijrah ke arah yang berbeza.

Tetapi kini bakinya hilang. Elektron yang telah menerima tenaga foton berusaha untuk menyambung semula dengan antipodnya (lubang) dan bersedia untuk menghabiskan tenaganya untuk ini. Malangnya, persimpangan pn adalah halangan berpotensi yang tidak dapat diatasi oleh elektron.

Walau bagaimanapun, jika kita menyambungkan kawasan dengan konduktor jenis p dan n dengan konduktor, maka halangan ini akan berjaya diatasi dan elektron akan "melalui" ke lubangnya melalui "pintu belakang". Dalam kes ini, elektron menghabiskan tenaganya di sepanjang jalan, yang kita gunakan.

Ciri-ciri sel suria

Persimpangan pn adalah halangan yang menggerunkan kepada pergerakan elektron. Tetapi ia tidak boleh dipanggil tidak dapat ditolak. Tenaga yang diterima oleh elektron daripada foton biasanya tidak mencukupi untuk mengatasi halangan ini dan menyambung dengan lubang, tetapi ini tidak selalu berlaku.

Prinsip kerja sel suria
Rajah 4: 1 - parut pengumpul atas; 2 - lapisan resapan jenis-n; 3 - np-simpang, 4 lapisan asas jenis-p; 5 - sentuhan bawah.

Ketinggian halangan berpotensi bagi simpang pn ialah kira-kira 600 mV (0,6 V). Elektron dengan tenaga melebihi 600 mV boleh "memanjat" dinding ini dan diserap. Oleh itu, voltan maksimum yang boleh dihasilkan oleh sel suria ialah 600 mV. Walau bagaimanapun, nilai sebenar bergantung kepada jenis bahan semikonduktor dan reka bentuk sel suria.

Prinsip kerja sel suria
Rajah 5

Menyambungkan beban ke sel suria mengurangkan tenaga beberapa elektron, termasuk yang lebih bertenaga. Akibatnya, jumlah voltan sel suria dan bilangan elektron yang boleh mengatasi halangan pn-junction dikurangkan.

Apabila rintangan beban meningkat, semakin banyak elektron akan "dipam keluar" melaluinya, dan voltan akan semakin berkurangan. Namun, pada satu ketika perkara pelik berlaku. Pada 450 mV (0,45 V), arus (fluks elektron) berhenti meningkat walaupun voltan terus berkurangan. "Dataran tinggi" arus dicapai.

Fenomena ini disebabkan oleh bilangan terhingga kejadian foton pada simpang pn. Adalah diketahui bahawa lebih banyak foton mencapai simpang pn, lebih banyak elektron dibebaskan. Lebih banyak foton - lebih semasa.

Walau bagaimanapun, ada masanya apabila secara literal setiap foton yang telah memasuki simpang pn digunakan dan bilangan elektron bebas, dan oleh itu arus, tidak lagi meningkat. Ini sepadan dengan rupa "dataran tinggi" dalam ciri sel suria.

Sudah tentu, bilangan elektron bebas juga bergantung pada luas permukaan dan keamatan cahaya. Jelas sekali, apabila kawasan sel bertambah, lebih banyak foton ditangkap dan arus meningkat. Begitu juga, apabila keamatan cahaya meningkat, kepekatan foton dalam kawasan tertentu meningkat, yang juga meningkatkan arus.

Kecekapan Sel Suria

Biasanya, purata keamatan cahaya matahari yang sampai ke permukaan bumi diambil sebagai 100 mW/cm2. Dalam erti kata lain, sel solar 10x10 cm2 secara teorinya harus menjana 10 watt kuasa.

Malangnya, tiada sel solar boleh dan tidak akan menjana kuasa sedemikian: akan sentiasa ada kerugian. Kecekapan tertinggi (faktor kecekapan) yang dicapai setakat ini (dan walaupun dengan fotosel lata dalam makmal eksperimen) adalah kira-kira 30%. Kecekapan sel suria silikon konvensional berkisar antara 10-13%. Elemen dengan keluasan 100 cm2 boleh menghasilkan kira-kira 1 watt kuasa.

Sudah tentu, kecekapan sel suria bergantung kepada banyak faktor, antaranya perubahan suhu ambien adalah yang paling ketara. Apabila suhu meningkat, kekisi kristal teruja dan atomnya bergetar dengan lebih kuat. Ini, seterusnya, membawa kepada peningkatan tahap tenaga elektron di dalam struktur. Dari masa ke masa, apabila tahap tenaga elektron meningkat sehingga kebanyakannya dapat mengatasi halangan potensi persimpangan pn, penggabungan semula meningkat secara mendadak dalam semikonduktor. Ini membawa kepada pengurangan bilangan elektron yang mencapai pengumpul grid, dan arus elektrik dalam beban berkurangan. Sebaliknya, suhu rendah menyumbang kepada peningkatan sebenar kesan fotoelektrik.

Sebab utama penurunan kecekapan sel suria dengan peningkatan suhu adalah penurunan nilai penghalang potensi persimpangan pn, yang membawa kepada penurunan voltan yang dihasilkan oleh sel.

Pengarang: Byers T.

Lihat artikel lain bahagian Sumber tenaga alternatif.

Baca dan tulis berguna komen pada artikel ini.

<< Belakang

Berita terkini sains dan teknologi, elektronik baharu:

Kulit tiruan untuk emulasi sentuhan 15.04.2024

Dalam dunia teknologi moden di mana jarak menjadi semakin biasa, mengekalkan hubungan dan rasa dekat adalah penting. Perkembangan terkini dalam kulit tiruan oleh saintis Jerman dari Universiti Saarland mewakili era baharu dalam interaksi maya. Penyelidik Jerman dari Universiti Saarland telah membangunkan filem ultra nipis yang boleh menghantar sensasi sentuhan dari jauh. Teknologi canggih ini menyediakan peluang baharu untuk komunikasi maya, terutamanya bagi mereka yang mendapati diri mereka jauh daripada orang tersayang. Filem ultra-nipis yang dibangunkan oleh penyelidik, hanya 50 mikrometer tebal, boleh disepadukan ke dalam tekstil dan dipakai seperti kulit kedua. Filem ini bertindak sebagai penderia yang mengenali isyarat sentuhan daripada ibu atau ayah, dan sebagai penggerak yang menghantar pergerakan ini kepada bayi. Ibu bapa yang menyentuh fabrik mengaktifkan penderia yang bertindak balas terhadap tekanan dan mengubah bentuk filem ultra-nipis. ini ...>>

Petgugu Global kotoran kucing 15.04.2024

Menjaga haiwan peliharaan selalunya boleh menjadi satu cabaran, terutamanya dalam hal menjaga kebersihan rumah anda. Penyelesaian menarik baharu daripada pemula Global Petgugu telah dipersembahkan, yang akan menjadikan kehidupan lebih mudah bagi pemilik kucing dan membantu mereka memastikan rumah mereka bersih dan kemas dengan sempurna. Startup Petgugu Global telah melancarkan tandas kucing unik yang boleh menyiram najis secara automatik, memastikan rumah anda bersih dan segar. Peranti inovatif ini dilengkapi dengan pelbagai sensor pintar yang memantau aktiviti tandas haiwan kesayangan anda dan diaktifkan untuk membersihkan secara automatik selepas digunakan. Peranti ini bersambung ke sistem pembetung dan memastikan penyingkiran sisa yang cekap tanpa memerlukan campur tangan daripada pemilik. Selain itu, tandas mempunyai kapasiti storan boleh siram yang besar, menjadikannya sesuai untuk isi rumah berbilang kucing. Mangkuk sampah kucing Petgugu direka bentuk untuk digunakan dengan sampah larut air dan menawarkan pelbagai jenis tambahan ...>>

Daya tarikan lelaki penyayang 14.04.2024

Stereotaip bahawa wanita lebih suka "budak jahat" telah lama tersebar luas. Walau bagaimanapun, penyelidikan baru-baru ini yang dijalankan oleh saintis British dari Universiti Monash menawarkan perspektif baru mengenai isu ini. Mereka melihat bagaimana wanita bertindak balas terhadap tanggungjawab emosi lelaki dan kesanggupan untuk membantu orang lain. Penemuan kajian itu boleh mengubah pemahaman kita tentang perkara yang menjadikan lelaki menarik kepada wanita. Kajian yang dijalankan oleh saintis dari Universiti Monash membawa kepada penemuan baharu tentang daya tarikan lelaki kepada wanita. Dalam eksperimen itu, wanita ditunjukkan gambar lelaki dengan cerita ringkas tentang tingkah laku mereka dalam pelbagai situasi, termasuk reaksi mereka terhadap pertemuan dengan gelandangan. Sebahagian daripada lelaki itu tidak mengendahkan gelandangan itu, manakala yang lain membantunya, seperti membelikan dia makanan. Kajian mendapati lelaki yang menunjukkan empati dan kebaikan lebih menarik perhatian wanita berbanding lelaki yang menunjukkan empati dan kebaikan. ...>>

Berita rawak daripada Arkib

Drone murah yang tidak memerlukan minyak 06.05.2019

Dalam dunia moden, dron ternyata sangat diminati sehinggakan teknologi untuk penciptaan mereka berkembang pesat. Oleh itu, tidak hairanlah apabila dron seterusnya membuat percikan, terutamanya apabila ia melibatkan perkembangan ketenteraan. Walau bagaimanapun, Phoenix, dron baharu dalam perkhidmatan dengan UK, secara asasnya boleh mengubah keseluruhan industri moden.

Dengan panjang 15 meter dan lebar sayap hanya 10,3 meter, Phoenix kelihatan seperti bom terbang kecil yang dilitupi panel solar. Siaran akhbar menyatakan bahawa dron itu "menggunakan sistem pendorong daya apungan berubah-ubah" untuk bergerak melalui udara. Sebenarnya, ini bermakna dalam penerbangan, Phoenix menyedut udara ke dalam tangki kembung dalaman, yang menjadikannya lebih berat dan menyelam ke hadapan, kehilangan ketinggian. Kemudian udara dilepaskan dan dron bergerak ke hadapan semula, tetapi dengan pendakian. Untuk memudahkan proses ini, sentiasa ada bekalan helium atau hidrogen di atas kapal.

Memandangkan Phoenix tidak mempunyai enjin pembakaran dalaman dan tidak memerlukan bahan api, secara teori drone boleh kekal pada ketinggian yang betul selama-lamanya dan bertindak sebagai sensor terbang atau hab komunikasi untuk tentera. Fiuslaj dengan sayap gentian karbon berharga sangat kecil (terutamanya berbanding dengan dron tentera lain) sehinggakan pereka bentuk yang mereka bentuk secara berseloroh merujuk kepada dron itu sebagai dron "pakai buang".

Pada masa ini dinyatakan bahawa Phoenix boleh digunakan sebagai alternatif satelit - ia akan membolehkan penghantaran isyarat selamat pada jarak seribu kilometer. Selain itu, dron boleh bertindak sebagai platform untuk menjejaki pergerakan musuh. Kemurahan dron itu membolehkan unit mudah alih menyimpan banyak peranti ini dalam stok, menggunakannya apabila diperlukan.

Berita menarik lain:

▪ Penutupan jauh enjin kereta

▪ Penyesuai Pemindahan Video 4K USB 3.0

▪ Memori menjadikannya sukar untuk membezakan warna

▪ Pinset ultrasonik menggerakkan sel hidup

▪ TV CMYK

Suapan berita sains dan teknologi, elektronik baharu

Bahan-bahan menarik Perpustakaan Teknikal Percuma:

▪ bahagian laman web Bengkel rumah. Pemilihan artikel

▪ artikel Ia baru-baru ini, ia sudah lama dahulu. Ungkapan popular

▪ Apakah ciri ciri bandar utama Greece: Athens dan Sparta? Jawapan terperinci

▪ pasal Kermek bertakuk. Legenda, penanaman, kaedah aplikasi

▪ artikel Januari-4. Sensor aliran udara jisim. Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik

▪ artikel Pengganggu arus beban voltan rendah. Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik

Tinggalkan komen anda pada artikel ini:

Semua bahasa halaman ini

Laman utama | Perpustakaan | artikel | Peta Laman | Ulasan laman web