Солнечный элемент (по-другому он еще именуется фотоэлемент) – это прибор, состоящий из полупроводников, основным предназначением которого является трансформация энергии света в ток. Научной основой рассматриваемого преобразования служит явление фотоэффекта.
Солнечные элементы совершенно обоснованно называют наиболее значимой частью солнечных батарей, потому как последние и есть не что иное, как соединенные между собой в единую систему солнечные элементы (их количество определяется размерами системы). Функция солнечных элементов заключается в преобразовании световой энергии в ток (причем постоянный).
Благодаря своим функциональным и структурным особенностям, солнечные элементы, как и построенные уже на их основе батареи, могут иметь самые разные размеры – начиная от микроскопических солнечных элементов калькулятора до покрытия машин и зданий (чаще всего вы можете их видеть установленными на крышах).
С каждым годом актуальность использования энергии Солнца растет, ведь она считается достойной альтернативой устаревающей выработке электроэнергии, добываемой путем переработки ископаемых видов топлива и энергии атома. Поэтому в данном направлении отмечается систематический, неуклонный прогресс.
Принцип работы любых фотоэлементов зиждется на полупроводниковом pn переходе. В случае проникновении фотона в область, непосредственно прилегающую к pn переходу, возникает пара носителей заряда. Таковыми являются электрон и дырка. С высокой долей вероятности одна из этих частиц, играющая роль неосновного заряда, проникает чрез переход. Результатом этого явления становится то, что появившиеся благодаря поглощению световой энергии фотона заряды, утрачивают способность к рекомбинированию и разделяются в пространстве. Соответственно, происходит нарушение равновесия плотности зарядов. При подсоединении элемента к внешней нагрузке в цепи появляется ток. Большая часть необратимых энергопотерь в фотоэлементах так или иначе связана с низким КПД трансформации фотона в электронно-дырочную пару.
Применение на практике
Солнечные элементы стали незаменимы для электроснабжения преимущественно в отдаленных от ЛЭП местах или на орбитальных станциях, не позволяющих использовать электросеть. Кроме того, современные технологии сделали возможным применение солнечных элементов для запиткикалькуляторов, радиотелефонов, а также зарядных устройств, насосов.
Август 2009 г. ознаменовался тем, что ученые смогли достичь рекордной эффективности КПД солнечных батарей – 43% (иначе говоря, в данном случае 43% солнечной энергии переходило в электрическую). Однако приведенный рекорд имел только лишь теоретическое значение – не было соблюдено несколько условий, имеющих место на практике.
Например, до того момента, как свет попадал на батареи, он фокусировался особыми линзами. Помимо этого, стоимость всего задействованного в ходе эксперимента оборудования была далека от значений, позволительных в промышленном производстве. Поэтому рекорды практикой выглядят куда более скромными - в реальных условиях КПД рассматриваемого процесса не превышает 25%.
Классификация солнечных элементов
В зависимости от того, какие материалы были использованы при изготовлении фотоэлемента, принято различать следующие их типы:
- Монокристаллические - они являются наиболее сложными и дорогостоящими (из всех, использующихся в широком обиходе), потому как для их изготовления необходим кристаллический кремний. Вместе с тем, именно они обеспечивают максимальный КПД (14% -20% трансформации световой энергии в ток).
- Поликристаллические или мультикристаллические фотоэлементы – изготовлены из более доступного по цене материала, но вместе с тем отличаются и меньшей эффективностью.
- Тонкопленочные фотоэлементы – их функционирование становится возможным благодаря использованию тонких пленок, изготавливаемых из расплавленного кремния. Эти фотоэлементы оказываются наименее эффективны.
Гетерофотоелементы (используются в космических аппаратах) – наиболее дорогостоящие, они состоят из большого количества pn-переходов (AlGaAs-GaAs), и обеспечивают максимальную эффективность – 35% - 50%. Но они стоят очень дорого, что значительно суживает их область применения.
