Солнечная энергетика, как одно из ведущих решений в области экологически чистой энергии, привлекла значительное внимание отрасли. Если вам это интересно, давайте рассмотрим структуру солнечных элементов и связанные с ними фотоэлектрические материалы.
Солнечная энергетика, часто называемая солнечными батареями, напрямую преобразует солнечный свет в электричество. В солнечных панелях фотоны солнца выбивают электроны из атомных связей полупроводниковых материалов. Когда эти электроны вынуждены двигаться в одном направлении, они генерируют электрический ток, который может либо питать электронные устройства, либо подаваться в электросеть.
С тех пор как французский физик Александр-Эдмон Беккерель впервые выдвинул теорию фотоэлектрической технологии в 1839 году, выработка солнечной энергии стала ключевой темой исследований. Сегодня, благодаря крупным исследовательским группам из США, Японии и Европы, ускоряющим коммерциализацию своих солнечных систем, международный рынок фотоэлектрической промышленности продолжает расширяться.
Фотоэлектрические модули
Хотя материалы, используемые в фотоэлектрических системах, различаются, все модули состоят из нескольких слоев, от лицевой стороны к обратной. Солнечный свет сначала проходит через защитный слой (обычно стекло), затем через прозрачный контактный слой в саму ячейку. В центре модуля находится поглощающий материал, который улавливает фотоны для генерации электрического тока. Тип используемого полупроводникового материала зависит от конкретных потребностей фотоэлектрической системы.
Под поглощающим материалом находится задний металлический слой, который замыкает электрическую цепь. Под металлическим слоем расположен композитный пленочный слой, который обеспечивает водонепроницаемость и изоляцию модуля. Фотоэлектрические модули часто оснащаются дополнительным защитным слоем из стекла, алюминиевого сплава или пластика.
Полупроводниковые материалы
В качестве полупроводниковых материалов в фотоэлектрических системах могут использоваться кремний, поликристаллические тонкие пленки или монокристаллические тонкие пленки. К кремниевым материалам относятся монокристаллический кремний, поликристаллический кремний и аморфный кремний. Монокристаллический кремний, благодаря своей регулярной структуре, обладает более высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования, чем поликристаллический кремний.
В аморфном кремнии атомы кремния распределены случайным образом, что приводит к более низкой эффективности преобразования по сравнению с монокристаллическим кремнием. Однако аморфный кремний способен захватывать больше фотонов, и легирование его такими элементами, как германий или углерод, может улучшить это свойство.
Диселенид меди-индия (CIS), теллурид кадмия (CdTe) и тонкопленочный кремний являются широко используемыми поликристаллическими тонкопленочными материалами. Высокоэффективные материалы, такие как арсенид галлия (GaAs), часто включают в себя монокристаллические тонкие пленки кремния. Эти материалы выбираются для конкретных фотоэлектрических применений на основе уникальных свойств, таких как кристалличность, размер запрещенной зоны, поглощающие способности и простота обработки.
Внешние факторы, влияющие на полупроводники
Атомное расположение в кристаллической структуре определяет кристалличность полупроводниковых материалов, что напрямую влияет на перенос заряда, плотность тока и эффективность преобразования энергии солнечных элементов. Ширина запрещенной зоны полупроводниковых материалов — это минимальная энергия, необходимая для перемещения электронов из связанного состояния в свободное (что позволяет осуществлять проводимость). Ширина запрещенной зоны, обычно обозначаемая как Eg, описывает разницу энергий между валентной зоной (низкая энергия) и зоной проводимости (высокая энергия).
Коэффициент поглощения определяет расстояние, на которое фотон определенной длины волны может проникнуть в среду до поглощения. Он определяется материалом ячейки и длиной волны поглощенного фотона.
Стоимость и простота обработки различных полупроводниковых материалов и устройств зависят от множества факторов, включая тип и масштаб используемых материалов, производственные циклы и характеристики миграции ячейки в камере осаждения. Каждый фактор играет решающую роль в удовлетворении конкретных потребностей в генерации фотоэлектрической энергии.
