Pusvadītāju fotoelementu enerģijas pārveidotāji (fotoelementi)
Fotoelementi ir elektroniskas ierīces, kas paredzētas fotonu enerģijas pārvēršanai elektriskās strāvas enerģijā.
Vēsturiski tika izgudrots pirmais modernā fotoelementa prototips Aleksandrs G. Stoletovs beigās, 19. gs. Viņš rada ierīci, kas darbojas pēc ārējā fotoelektriskā efekta principa. Pirmā eksperimentālā iekārta sastāvēja no pāris paralēlām plakanām metāla loksnēm, no kurām viena bija izgatavota no sieta, lai ļautu gaismai iziet cauri, bet otra bija cieta.
Uz loksnēm tika pielikts pastāvīgs spriegums, kuru varēja regulēt diapazonā no 0 līdz 250 voltiem. Sprieguma avota pozitīvais pols tika savienots ar režģa elektrodu un negatīvais pols ar cieto. Shēmā tika iekļauts arī jutīgs galvanometrs.
Kad cieta loksne tika apgaismota ar elektriskā loka gaismu, galvanometra adata novirzīts, norādot, ka ķēdē tiek ģenerēta līdzstrāva, neskatoties uz to, ka starp diskiem ir gaiss.Eksperimentā zinātnieks atklāja, ka "fotostrāvas" lielums ir atkarīgs gan no pielietotā sprieguma, gan gaismas intensitātes.
Sarežģot uzstādīšanu, Stoletovs ievieto elektrodus cilindrā, no kura tiek izvadīts gaiss, un ultravioletā gaisma tiek ievadīta jutīgajā elektrodā caur kvarca logu. Tātad tas bija atvērts foto efekts.
Šodien, pamatojoties uz šo efektu, tas darbojas fotoelektriskie pārveidotāji… Tie reaģē uz elektromagnētisko starojumu, kas nokrīt uz elementa virsmas, un pārvērš to izejas spriegumā. Šāda pārveidotāja piemērs ir saules baterija… To pašu principu izmanto gaismjutīgi sensori.
Tipisks fotoelements sastāv no augstas pretestības gaismjutīga materiāla slāņa, kas iestiprināts starp diviem vadošiem elektrodiem. Kā fotoelementu materiāls saules baterijām to parasti izmanto pusvadītājs, kas, pilnībā izgaismojot, izejā spēj dot 0,5 voltus.
Šādi elementi ir visefektīvākie no ģenerētās enerģijas viedokļa, jo tie nodrošina tiešu fotonu enerģijas pārnesi vienā solī — elektriskā strāvā... Normālos apstākļos 28% efektivitāte šādiem elementiem ir norma.
Šeit intensīvs fotoelektrisks efekts rodas darba materiāla pusvadītāju struktūras neviendabīguma dēļ.Šo neviendabīgumu iegūst, vai nu dopingā izmantoto pusvadītāju materiālu ar dažādiem piemaisījumiem, tādējādi izveidojot pn savienojumu, vai arī savienojot pusvadītājus ar dažāda izmēra spraugām (enerģijām, pie kurām elektroni atstāj savus atomus) — tādējādi iegūst heterosavienojumu, vai arī izvēloties šādu ķīmisku vielu. pusvadītāja sastāvs, kura iekšpusē parādās joslas spraugas gradients — pakāpeniskas spraugas struktūra. Rezultātā dotā elementa efektivitāte ir atkarīga no neviendabīguma raksturlielumiem, kas iegūti konkrētas pusvadītāju struktūras iekšpusē, kā arī no fotovadītspējas.
Lai samazinātu zudumus saules baterijā, to ražošanā tiek izmantoti vairāki noteikumi. Pirmkārt, tiek izmantoti pusvadītāji, kuru joslas sprauga ir optimāla tieši saules gaismai, piemēram, silīcija un gallija arsenīda savienojumi, otrkārt, struktūras īpašības tiek uzlabotas ar optimālu dopingu. Priekšroka tiek dota neviendabīgām un šķirotām struktūrām. Tiek izvēlēts optimālais slāņa biezums, p-n-pārejas dziļums un labākie kontaktrežģa parametri.
Tiek veidoti arī kaskādes elementi, kuros darbojas vairāki pusvadītāji ar dažādām frekvenču joslām, lai, izejot cauri vienai kaskādei, gaisma nonāktu nākamajā utt. Ideja par Saules spektra sadalīšanu izskatās daudzsološa, lai katrs no tās reģioni tiek pārveidoti no atsevišķas fotoelementa sadaļas.
Mūsdienās tirgū ir trīs galvenie fotoelektrisko elementu veidi: monokristāliskais silīcijs, polikristāliskais silīcijs un plānā plēve.Plānās plēves tiek uzskatītas par daudzsološākajām, jo tās ir jutīgas pat pret izkliedētu gaismu, var tikt novietotas uz izliektām virsmām, nav tik trauslas kā silīcijs un ir efektīvas pat augstā darba temperatūrā.
Skatīt arī: Saules bateriju un moduļu efektivitāte