Przegląd zasady pracy i różnych rodzajów ogniw słonecznych

W obecnej erze rosnącego zapotrzebowania na energię i coraz bardziej widocznych problemów środowiskowych energia słoneczna stała się przedmiotem uwagi ze względu na czyste i odnawialne cechy. Jako koncentrator do skutecznego przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną, mechanizm operacyjny ogniw słonecznych stał się kluczem do technologii wykorzystania energii słonecznej.

1. Podstawowa struktura ogniw słonecznych
Rdzeń ogniw słonecznych, magiczne urządzenie, które skutecznie przekształca energię słoneczną w energię elektryczną, leży w warstwie materiału półprzewodnikowego. Ta część składa się zwykle z materiałów takich jak krzemion (SI), arsenid galu (GAAS) i kadm telluride (CDTE). Krzem jest powszechnie uprzywilejowany ze względu na obfite zasoby, doskonałą wydajność i umiarkowane koszty. Ta warstwa jest dalej podzielona na półprzewodniki typu p i półprzewodniki typu N. Ten pierwszy jest bogaty w dziury (nośniki ładunku dodatnie) i powstaje przez domieszkowanie trójwartościowych zanieczyszczeń, takich jak bor w czystych półprzewodnikach; Te ostatnie jest bogate w wolne elektrony (nośniki ładunku ujemnego) i jest przygotowywane przez domieszkowanie pentalisternych zanieczyszczeń, takich jak fosfor. Ponadto ogniwa słoneczne są również wyposażone w elektrody, które są odpowiedzialne za zbieranie i transmisję prądu. Zazwyczaj są one podzielone na elektrody dodatnie i elektrody ujemne, które są podłączone odpowiednio z półprzewodnikami typu p i N-typu N, oraz wybierane są materiały metalowe o stabilnej przewodności i dobrej wydajności, takich jak srebro i aluminium. Aby jeszcze bardziej poprawić wydajność absorpcji światła i zmniejszyć utratę odbicia, warstwa antyrefleksyjna jest sprytnie umieszczona na powierzchni materiału półprzewodnikowego, a jego materiał i grubość są starannie zaprojektowane w celu zapewnienia, że ​​padające światło może wejść do wnętrza materiału półprzewodnikowego w maksymalnym stopniu.

2. Zasada pracy ogniw słonecznych
Krótko mówiąc, zasada robocza ogniw słonecznych opiera się na efekcie fotoelektrycznym półprzewodników. Kiedy światło słoneczne świeci na materiałach półprzewodnikowych, energia fotonów zostanie wchłonięta przez materiał, który następnie podniesie elektrony, aby przeskakiwać z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Ten proces wytwarza pary elektronowe. Te elektrony i otwory ulegają serii złożonych ruchów wewnątrz akumulatora i są ostatecznie gromadzone i przekształcane w moc wyjściową energii elektrycznej.

W szczególności absorpcja światła jest punktem wyjścia do działania ogniw słonecznych. Po atomach w materiale półprzewodnikowym pochłaniając energię fotonów, jeśli energia fotonu przekroczy szerokość pasmowego półprzewodnika, elektrony w paśmie walencyjnym przeskakują do pasma przewodzenia, pozostawiając otwory w tym samym czasie, tworząc w ten sposób pary elektronowe. Przykładając krzem jako przykład, szerokość bandgap wynosi około 1,12EV, co oznacza, że ​​gdy energia fotonu jest większa niż ta wartość, elektrony w krzemie mogą wchłonąć przejście energii.

Następnie jest tworzenie wbudowanego pola elektrycznego. Na połączeniu półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu N, zostanie wygenerowane wbudowane pole elektryczne ze względu na różnicę w stężeniu nośnika dwóch półprzewodników. Kierunek tego pola elektrycznego pochodzi od półprzewodnika typu N do półprzewodnika typu P, który odgrywa kluczową rolę w oddzieleniu par elektronu.

W etapie separacji i transmisji ładunku pary elektronowe generowane przy promieniowaniu lekkim są skutecznie oddzielone pod działaniem wbudowanego pola elektrycznego. Elektrony są wypychane na bok półprzewodnika typu N, podczas gdy otwory są wypychane na bok półprzewodnika typu P, przechodząc w ten sposób do dwóch końców akumulatora odpowiednio. Te nośniki przepływają do obciążenia przez pasmo przewodzenia i pasmo walencyjne w półprzewodnikach przez obwód zewnętrzny, tworząc prąd.

Wreszcie istnieje link mocy wyjściowej. Gdy ogniwo słoneczne jest podłączone do obciążenia zewnętrznego (takiego jak rezystor, urządzenie elektryczne itp.), Przepływ tych nośników w obwodzie zewnętrznym zapewnia moc do obciążenia. Na napięcie wyjściowe i prąd ogniw słonecznych ma wpływ wiele czynników, w tym właściwości materiałów półprzewodnikowych, intensywność światła i temperaturę.
Intensywność światła jest ściśle związana z prądem wyjściowym. Gdy intensywność światła wzrasta, wzrasta liczba par elektronowych generowanych przez ogniwa słoneczne, co z kolei prowadzi do wzrostu prądu wyjściowego. Jednak zmiany temperatury wpłyną również na wydajność ogniw słonecznych. Wraz ze wzrostem temperatury przewodność materiałów półprzewodnikowych stopniowo zmniejsza się, co w pewnym stopniu wpłynie na napięcie wyjściowe i prąd.

3. Różnice w zasadach roboczych różnych rodzajów ogniw słonecznych

Monokrystaliczne silikonowe ogniwa słoneczne

Monokrystaliczne silikonowe ogniwa słoneczne, oparte na pojedynczych krystalicznych płytach krzemowych o dużej czystości, mają doskonałą wydajność konwersji fotoelektrycznej ze względu na ich całkowitą strukturę krystaliczną. W procesie absorpcji światła, rozdziału ładunku i transmisji ich wysoka wydajność umożliwia skuteczne przekształcenie energii słonecznej w energię elektryczną.

Polikrystaliczne silikonowe ogniwa słoneczne

Policrystalne krzemionowe ogniwa słoneczne składają się z wielu małych ziaren krzemu. Chociaż istnieją pewne wady w ich strukturze krystalicznej, mają one oczywiste zalety kosztów. Podobnie jak w przypadku jednokrystalicznego krzemu, jego proces wchłaniania światła jest również wydajny, ale ze względu na wady kryształowe napotyka przeszkody w procesie transmisji ładunku, co powoduje nieco niższą wydajność konwersji fotoelektrycznej niż silikon z pojedynczym krystalicznym.

Cienkie filmy ogniwa słoneczne

Cienkie filmy słoneczne są znane z ultratycznych materiałów półprzewodników, od kilku mikronów do dziesiątek mikronów. Wspólne materiały obejmują kadm telluryd i miedzi indium selenidu galu. Chociaż ich zasada pracy jest podobna do zasady krystalicznych silikonowych ogniw słonecznych, ich unikalne wchłanianie światła i charakterystyka transferu ładunku sprawiają, że są doskonałe pod względem elastyczności i skalowalności, i są szczególnie odpowiednie do scenariuszy zastosowania, takich jak dachy słoneczne i urządzenia przenośne.

Organiczne ogniwa słoneczne

Organiczne ogniwa słoneczne, które wykorzystują organiczne materiały półprzewodników, takie jak polimery i związki małych cząsteczek, przyciągnęły uwagę ze względu na ich niski koszt, lekkość i możliwości przygotowania dużego obszaru. Po wchłanianiu światła wygenerowane ekscytony muszą dysocjować na interfejsie dawcy-akceptora, aby utworzyć prąd. Chociaż obecna wydajność konwersji fotoelektrycznej jest nadal niższa niż w przypadku tradycyjnych nieorganicznych ogniw słonecznych, jego potencjału rozwojowego nie można zignorować.

Iv. Parametry wydajności ogniw słonecznych
Ocena wydajności ogniw słonecznych obejmuje wiele kluczowych parametrów. Wśród nich wydajność konwersji fotoelektrycznej jest ważnym wskaźnikiem pomiaru zdolności ogniw słonecznych do przekształcania energii światła w energię elektryczną. Jego formuła obliczeń wynosi: η=(wyjściowa energia elektryczna / energia światła padającego) × 100%. Różni się wydajność konwersji fotoelektrycznej różnych rodzajów ogniw słonecznych. Na przykład monokrystaliczne silikonowe ogniwa słoneczne osiągnęły wysoką wydajność ponad 26% w środowiskach laboratoryjnych, podczas gdy produkty komercyjne zwykle utrzymują zakres od 18% do 22%.

Ponadto prąd zwarciowy, napięcie obwodu otwartego i współczynnik wypełnienia są również ważnymi parametrami oceny wydajności ogniw słonecznych. Prąd zwarcia odzwierciedla zdolność do zbierania nośnika baterii w określonych warunkach oświetlenia, podczas gdy napięcie obwodu otwartego jest ściśle związane z właściwościami materiałów półprzewodnikowych, struktury i procesu baterii. Współczynnik wypełnienia mierzy faktyczne charakterystykę wyjściową ogniw słonecznych. Ocenia wydajność baterii, porównując rzeczywistą maksymalną moc wyjściową z produktem napięcia otwartego obwodu i prądu zwarcia.

V. Perspektywy rozwoju ogniw słonecznych
Wraz z szybkim rozwojem nauki i technologii wydajność ogniw słonecznych jest nadal zoptymalizowana, a koszty są stopniowo obniżone, a jego perspektywy zastosowania stają się coraz szersze. W dziedzinie energii ogniwa słoneczne stały się niezbędną częścią rozproszonych systemów energii, zapewniając czystą energię elektryczną dla tysięcy gospodarstw domowych, różnych przedsiębiorstw i obiektów publicznych. Ponadto, w połączeniu z systemami magazynowania energii, może skutecznie rozwiązać przerywany problem energii słonecznej i zapewnić stabilną moc wyjściową.

W dziedzinie transportu innowacyjne pojazdy, takie jak samochody słoneczne i samoloty słoneczne, stopniowo wchodzą w pogląd ludzi. Ogniwa słoneczne zapewniają energię dla tych pojazdów, co nie tylko zmniejsza zależność od tradycyjnej energii kopalnej, ale także pomaga zmniejszyć emisję dwutlenku węgla i chronić środowisko.

Pod względem urządzeń elektronicznych urządzenia przenośne, takie jak ładowarki słoneczne, zegarki słoneczne i kalkulatory słoneczne były powszechnie preferowane przez użytkowników. Z dalszymi przełomami technologicznymi ogniwa słoneczne powinny zapewnić wsparcie energetyczne dla bardziej urządzeń elektronicznych i osiągają samowystarczalność sprzętu.

Podsumowując, jako kluczowa technologia energii odnawialnej, dogłębne badanie zasady pracy i innowacji technologicznych ogniw słonecznych ma kluczowe znaczenie dla promowania powszechnego zastosowania energii słonecznej. Stale poprawiając wydajność ogniw słonecznych i zmniejszając ich koszty, możemy spodziewać się czystszej i bardziej zrównoważonej przyszłości energetycznej.