1. Что происходит в солнечном элементе?
2. Фотоэлектрические на практике

Энрике Гарсия-Гарсия, Яхья Мубарак Мезиани, Хесус Энрике Веласкес-Перес, Хайме Кальво-Гальего

Перевод Марты Тондеры.

Когда запасы нефти заканчиваются, кремниевые солнечные элементы предлагают альтернативный источник энергии. Как они работают и как мы можем использовать их полный потенциал?

Изображение предоставлено
Фото ВВС США / Летчик
1-й класс Надин Y Барклай;
источник изображения: Викимедиа
Commons

Косвенно солнце является источником большей части энергии на Земле: не только в ископаемом топливе и биомассе, но также в энергии ветра, морских волн и других сред. Интерес к более непосредственному использованию солнечной энергии с использованием фотоэлектрических элементов постепенно возрастает.

Солнце, относительно старая звезда среднего размера, состоящая из плазмы, излучает энергию в виде электромагнитного излучения широкого спектра. На расстоянии 150 миллионов километров наша планета получает около 1366 Вт / м2 (1 Вт = 1 Дж · с) излучения от Солнца, хотя мы не достигаем такого большого количества, потому что атмосфера Земли отражает и поглощает около 30% этой энергии. Не менее, чем каждый квадратный метр поверхности Земли достигает около 1000 Джоулей энергии в секунду.

Для сравнения, общее потребление энергии в мире в 2010 году составило около 5 х 1020 Дж. Если предположить, что наша планета является идеальной сферой с радиусом 6370 км, Земля получает 1,8 х 1017 Дж / с, что составляет около 1,3 х 1017 Дж / с. оно достигает своей поверхности. Таким образом, за один час Солнце обеспечивает Землю энергией, которая будет длиться нам целый год.

Однако это не так просто. Из-за метеорологических факторов, склонения Солнца и вращения Земли, фактически излучение составляет примерно 230 Вт / м2. Если мы повторим те же вычисления, используя это число, время, необходимое для обеспечения Земли солнечной энергией в течение всего года, составляет пять с половиной часов, что также является очень впечатляющим результатом.

Поэтому солнечное излучение является многообещающим источником энергии, но как мы можем собирать и использовать его?

Что происходит в солнечном элементе?

Основы современного использования солнечной энергии были заложены в 1839 году, когда французский физик Эдмон Беккерель наблюдал увеличение электропроводности в некоторых материалах при воздействии света: это явление теперь известно как фотоэлектрическое явление. Это явление не было выяснено до развития квантовой механики. Электромагнитное излучение можно описать как поток квантовых объектов, называемых фотонами. Когда фотоны поглощаются определенными веществами, электроны из этих веществ могут стимулироваться к более высоким энергетическим состояниям (зоне проводимости), потенциально улучшая проводимость данного вещества.

Полупроводники, такие как кремень, являются фотоэлектрическими, потому что энергия фотона соответствует энергии, необходимой для перемещения одного электрона в зону проводимости. Однако сами полупроводники имеют мало свободных электронов и, следовательно, низкую проводимость. Чтобы увеличить их электрическую проводимость, небольшое количество других веществ (примесей) может быть добавлено в процессе легирования.

Легированный кремний является наиболее часто используемым материалом в электронике. Чистый кремний имеет четыре валентных электрона, которые он разделяет с четырьмя соседними атомами. Добавление примесей с более или менее валентными электронами (такими как фосфор или бор) изменяет проводимость этого вещества. Фосфор имеет пять валентных электронов, и когда атом фосфора окружен атомами кремния, пятый электрон только слабо присоединен к нему. Это означает, что он может легко достичь зоны проводимости, применяя к увеличению проводимости вещества. Кремний, легированный фосфором, называется типом n (отрицательный тип), поскольку легирование увеличивает количество отрицательных свободных зарядов (электронов). С другой стороны, бор имеет только три валентных электрона, а отсутствие четвертого электрона вызывает «дыру» в кристаллической решетке. При движении свободных электронов через сеть от одной дыры к другой, положительно заряженные дыры, кажется, движутся. Кремний, легированный бором, известен как кремний р-типа (положительный тип).

Это явление может быть использовано в солнечных элементах для сбора солнечной энергии и преобразования ее в электричество. Простейший солнечный элемент можно построить, соединив два полупроводника; один из типа pi, типа n, называется pn-переходом. В таком соединении кремниевые электроны n-типа могут видеть, как дырки в кремнии пи-типа движутся, чтобы заполнить их и создать пару электрон-дырка. Однако, когда фотон попадает в одну из таких пар, он разрывается, и поток этих вновь выпущенных носителей нагрузки (положительного и отрицательного) через материал генерирует электрический ток.

Однако не все выпущенные несущие будут создавать ток. Вместо этого большая часть электронов и дырок снова сольются в пары, изгоняя тепло. Это снижает эффективность преобразования фотоэлектрической энергии, то есть процент солнечной энергии, которая преобразуется в электрическую энергию. Это один из важнейших факторов, определяющих качество солнечного элемента. Кремниевые элементы, доступные в настоящее время на рынке, имеют емкость около 20%, но они прилагают все усилия, чтобы улучшить этот параметр.

Фотоэлектрические на практике

Изображение предоставлено
Aomorikuma; источник изображения:
Wikimedia Commons

Мы знаем, что происходит в середине солнечного элемента, но как использовать солнечные элементы для сбора солнечной энергии на практике? Стандартный солнечный модуль имеет около 1,3 м2 и состоит из сети около 50 отдельных элементов. В зависимости от технологии один модуль обеспечивает около 200 Вт, поэтому набор из пяти модулей может обеспечить достаточное количество энергии для среднего домашнего хозяйства - около 1 кВт. Теоретически, общий спрос в Европе можно было бы удовлетворить, покрыв только 1% континента солнечными элементами. Однако реально выглядящая солнечная энергия только частично решит наши энергетические проблемы.

В Европе в 2010 году около 7% энергии было получено с помощью фотоэлектрической технологии, но оптимистичные прогнозы говорят, что этим методом можно было бы покрыть даже 30–50% наших потребностей в энергии. Предоставление более точных цифр невозможно, поскольку необходимые технологические решения постоянно разрабатываются.

Одним из ограничений использования солнечной энергии является зависимость количества вырабатываемой электроэнергии от таких факторов окружающей среды, как облачность, угол падения солнечных лучей на панель, снег, дождь, листья или другие загрязнения и, конечно же, ночное время. Одним из способов преодоления этих проблем является сбор солнечной энергии с использованием интеллектуальной сети, нового типа электрической сети, которая координирует производство электроэнергии из нескольких источников - таких как солнечные элементы, тепловые генераторы и атомные электростанции - для удовлетворения спроса. В случае такого распределения тока солнечные элементы играют все более важную роль.

Изображение предоставлено
ESA / D Ducros

Также в меньшем масштабе солнечные элементы становятся все более и более популярными, и произведенное электричество можно использовать на месте - в домах, в телефонах возле автомагистралей, промышленных зданиях, лодках, автомобилях и даже на Международной космической станции ( Международная космическая станция в 1 ).

Поэтому, хотя мы далеки от сбора энергии, необходимой для пятичасового года, фотоэлектрические технологии становятся все более жизнеспособным источником энергии. В следующий раз, когда вы включите чайник или телевизор, подумайте о солнечном свете, который его частично питает.