Устройство и принцип работы солнечных батарей


Сегодня, практически все солнечные батареи, вырабатывающие электрическую энергию, работают на основе p-n-перехода. Принцип действия солнечной батареи основан на том, что одну область p-n-перехода (p-область) подвергают солнечному облучению, а другую держат в темноте (n-область). Таким образом, под воздействием солнечной энергии в p-области полупроводника происходит интенсивное высвобождение электронов из ковалентных связей атомных решеток.  Благодаря этому в p-области полупроводника наблюдается значительное увеличение концентрации свободных электронов. В n-области, как известно, электронов не хватает (n-области свойственна дырочная проводимость, за счет отсутствия одного электрона в каждой ковалентной связи атомов полупроводника). Потенциальный барьер в области p-n-перехода не дает возможности свободным электронам перейти из p-области в n-область. Исходя из этого, мы имеем разность потенциалов на концах p-n-перехода, которая, как правило, составляет порядка 0,5 Вольта с одного кристалла.

Наглядно, принцип работы одного кристалла солнечной батареи представлен на рисунке 1.

 

Принцип работы солнечной батареи

 

Рисунок 1. Принцип работы солнечной батареи

 

Из рисунка 1 видно, что к освещаемой солнцем p-области p-n-перехода приварены тонкие металлические пластины (ребра жесткости), с которых снимается положительный потенциал напряжения. n-область p-n-перехода лежит на сплошной металлической пластине, которая выполняет функцию отрицательного электрода, а также придает жесткость всей конструкции. Следовательно, если к электродам «+» и «-» подключить нагрузку, то по данной цепи потечет слабый постоянный ток.

Для получения высокого напряжения, используется несколько полупроводниковых кристаллов, которые соединяются последовательно друг с другом. Так, например, если последовательно соединить 10 кристаллов, то получится солнечная батарея с выходным напряжением в 5 В. Но, к сожалению, выходной ток такой батареи будет мизерным и составит 0,1…1 миллиампер. Для увеличения выходного тока, солнечные батареи соединяют параллельно. Таким образом, чтобы получит с солнечной батареи выходное напряжение в 5 Вольт с выходным током 1 А, необходимо применить 10 000 кристаллов образующих p-n-переходы.

 

Последовательное и параллельное соединение солнечных модулей

 

Последовательное и параллельное соединение солнечных модулей

 

КПД солнечных батарей очень низкий и лежит в пределах 10 - 20 %. Солнечные батареи с наибольшим КПД изготавливаются на основе монокристалла и поликристалла кремния толщиной в 300 мкм. Именно КПД таких батарей достигает 20%. Однако кремниевые батареи имеют существенный недостаток – они хрупкие и не обладают гибкостью.

 

Твердые солнечные батареи

 

Солнечные батареи не обладающие гибкостью

 

Так же существуют и гибкие солнечные батареи, они изготавливаются на основе аморфного кремния толщиной в 0,5 – 1 мкм. Однако КПД таких батарей не превышает 12 %, не смотря на то, что они обладают повышенным фото поглощением.

 

Гибкие солнечные батареи

 

Гибкие солнечные батареи