Päikeseenergia tootmine kui juhtiv puhta energia lahendus on pälvinud tööstuses märkimisväärset tähelepanu. Kui see teid huvitab, siis sukeldume päikesepatareide struktuuri ja seotud fotogalvaaniliste materjalidesse.
Päikeseenergia tootmine, mida sageli nimetatakse päikesepatareideks, muudab päikesevalguse otse elektriks. Päikesepaneelides eraldavad päikesest tulevad footonid elektrone pooljuhtmaterjalide aatomsidemetest. Kui need elektronid on sunnitud liikuma samas suunas, tekitavad nad elektrivoolu, mis saab toita elektroonikaseadmeid või suunata elektrivõrku.
Päikeseenergia tootmine on olnud peamine uurimisteema alates prantsuse füüsikust Alexandre-Edmond Becquerel'ist, kes 1839. aastal esimesena fotogalvaanilise tehnoloogia teoreetiliselt välja töötas. Tänapäeval, mil suured uurimisrühmad USA-st, Jaapanist ja Euroopast kiirendavad oma päikesesüsteemide turustamist, laieneb fotogalvaanilise tööstuse rahvusvaheline turg jätkuvalt.
Fotogalvaanilised moodulid
Kuigi fotogalvaaniliste süsteemide materjalid on erinevad, koosnevad kõik moodulid mitmest kihist esiküljelt tagaküljele. Päikesevalgus läbib esmalt kaitsekihi (tavaliselt klaasi) ja seejärel läbipaistva kontaktkihi elementi endasse. Mooduli keskel on neeldav materjal, mis püüab kinni footoneid elektrivoolu genereerimiseks. Kasutatava pooljuhtmaterjali tüüp sõltub fotogalvaanilise süsteemi konkreetsetest vajadustest.
Neelava materjali all on tagumine metallkiht, mis viib elektriahela lõpule. Metallkihi all on komposiitkilekiht, mis muudab mooduli veekindlaks ja isoleerib seda. Fotogalvaanilised moodulid on sageli varustatud täiendava kaitsekihiga, mis on valmistatud klaasist, alumiiniumsulamist või plastist.
Pooljuhtmaterjalid
Fotogalvaaniliste süsteemide pooljuhtmaterjalideks võivad olla räni, polükristallilised õhukesed kiled või monokristallilised õhukesed kiled. Ränimaterjalide hulka kuuluvad monokristalliline räni, polükristalliline räni ja amorfne räni. Monokristallilisel ränil on oma korrapärase struktuuriga kõrgem fotogalvaanilise muundamise efektiivsus kui polükristallilisel ränil.
Amorfses ränis on räni aatomid juhuslikult jaotunud, mille tulemuseks on madalam konversioonitõhusus võrreldes monokristallilise räniga. Amorfne räni suudab aga rohkem footoneid püüda ja selle legeerimine selliste elementidega nagu germaanium või süsinik võib seda omadust parandada.
Polükristalliliste õhukese kile materjalidena kasutatakse tavaliselt vaskindiumdiseleniid (CIS), kaadmiumtelluriid (CdTe) ja õhukese kilega räni. Suure efektiivsusega materjalid, näiteks galliumarseniid (GaAs), sisaldavad sageli monokristallilisi räni õhukesi kilesid. Need materjalid valitakse spetsiifiliste fotogalvaaniliste rakenduste jaoks ainulaadsete omaduste, näiteks kristallilisuse, keelutsooni suuruse, neeldumisvõime ja töötlemise lihtsuse põhjal.
Pooljuhte mõjutavad välised tegurid
Kristallstruktuuri aatomite paigutus määrab pooljuhtmaterjalide kristallilisuse, mis mõjutab otseselt päikesepatareide laengutransporti, voolutihedust ja energiamuundamise efektiivsust. Pooljuhtmaterjalide keelutsoon (TBT) viitab minimaalsele energiale, mis on vajalik elektronide liigutamiseks seotud olekust vabasse olekusse (mis võimaldab juhtivust). Keelutsoon, mida tavaliselt tähistatakse kui Eg, kirjeldab energia erinevust valentsitsooni (madal energia) ja juhtivustsooni (kõrge energia) vahel.
Neeldumistegur kvantifitseerib kauguse, mille teatud lainepikkusega footon suudab keskkonda tungida enne neeldumist. Selle määravad raku materjal ja neeldunud footoni lainepikkus.
Erinevate pooljuhtmaterjalide ja -seadmete töötlemise maksumus ja lihtsus sõltuvad paljudest teguritest, sealhulgas kasutatavate materjalide tüübist ja mahust, tootmistsüklitest ja elemendi migratsiooniomadustest sadestuskambris. Igal teguril on oluline roll fotogalvaanilise energia genereerimise konkreetsete vajaduste rahuldamisel.
