Hoe 'n fotovoltiese sel werk - Lewe - 2022
Die "fotovoltaïese effek" is die basiese fisiese proses waardeur 'n FV-sel sonlig in elektrisiteit omskakel. Sonlig bestaan ​​uit fotone, of deeltjies van sonenergie. Hierdie fotone bevat verskillende hoeveelhede energie wat ooreenstem met die verskillende golflengtes van die sonspektrum.
Hoe 'n fotovoltiese sel werk.
As fotone 'n PV-sel tref, kan dit weerkaats of opgeneem word, of kan dit regdeur beweeg. Slegs die geabsorbeerde fotone genereer elektrisiteit. As dit gebeur, word die energie van die foton oorgedra na 'n elektron in 'n atoom van die sel (wat eintlik 'n halfgeleier is).
Met sy nuutgevonde energie kan die elektron ontsnap uit sy normale posisie geassosieer met die atoom om deel te word van die stroom in 'n elektriese stroombaan. Deur hierdie posisie te verlaat, laat die elektron 'n "gat" vorm. Spesiale elektriese eienskappe van die PV-sel - 'n ingeboude elektriese veld - voorsien die spanning wat benodig word om die stroom deur 'n eksterne las (soos 'n gloeilamp) te dryf.
P-tipes, N-tipes en die elektriese veld
p-tipes, n-tipes en die elektriese veld. Met vergunning van die Departement van Energie
Om die elektriese veld binne 'n PV-sel te induseer, word twee afsonderlike halfgeleiers saamgevoeg. Die soorte "p" en "n" halfgeleiers stem ooreen met "positief" en "negatief" as gevolg van hul oorvloed gate of elektrone (die ekstra elektrone maak 'n "n" tipe omdat 'n elektron eintlik 'n negatiewe lading het).
Alhoewel beide materiale elektries neutraal is, het die silikon van die n-oormaat oortollige elektrone en die silikon van die p-tipe het oortollige gate. Deur hierdie saam te smee, skep dit 'n p / n-aansluiting by hul koppelvlak, waardeur 'n elektriese veld geskep word.
As die halfgeleiers van die p-tipe en die n-tipe saamgevleg is, vloei die oortollige elektrone in die n-tipe materiaal na die p-tipe, en die gate wat daardeur ontruim word, vloei na die n-tipe. (Die konsep van 'n gat wat beweeg, is ietwat soos om na 'n borrel in 'n vloeistof te kyk. Alhoewel dit die vloeistof is wat eintlik beweeg, is dit makliker om die beweging van die borrel te beskryf as dit in die teenoorgestelde rigting beweeg.) Deur hierdie elektron en gat vloei, werk die twee halfgeleiers as 'n battery en skep 'n elektriese veld op die oppervlak waar hulle ontmoet (bekend as die "aansluiting"). Dit is hierdie veld wat veroorsaak dat die elektrone van die halfgeleier na die oppervlak spring en beskikbaar stel vir die elektriese stroombaan. Op dieselfde tyd beweeg die gate in die teenoorgestelde rigting, na die positiewe oppervlak, waar hulle op inkomende elektrone wag.
Absorpsie en geleiding
Absorpsie en geleiding.
In 'n PV-sel word fotone in die p-laag opgeneem. Dit is baie belangrik om hierdie laag te "afstem" op die eienskappe van die inkomende fotone om soveel as moontlik op te neem en sodoende soveel elektrone moontlik te bevry. 'N Verdere uitdaging is om te voorkom dat die elektrone met gate inmekaarkom en weer saamkom om dit te herkom voordat hulle die sel kan ontsnap.
Om dit te kan doen, ontwerp ons die materiaal sodat die elektrone so na as moontlik aan die kruising vrygestel word, sodat die elektriese veld kan help om hulle deur die "geleiding" -laag (die n-laag) en na die elektriese stroombaan in te stuur. Deur al hierdie eienskappe te maksimeer, verbeter ons die omskakelingsdoeltreffendheid * van die PV-sel.
Om 'n doeltreffende sonkrag te maak, probeer ons om die absorpsie te maksimeer, refleksie en rekombinasie te minimaliseer en sodoende geleiding te maksimeer.
Gaan voort> Maak N- en P-materiaal
Die maak van N- en P-materiaal vir 'n fotovoltiese sel
Silicon het 14 elektrone. Inleiding - Hoe 'n fotovoltiese sel werk
Die algemeenste manier om silikonmateriaal van p-tipe of n-tipe te maak, is om 'n element by te voeg wat 'n ekstra elektron het of 'n elektron het. In silikon gebruik ons ​​'n proses genaamd 'doping'.
Ons sal silikon as voorbeeld gebruik, omdat kristallyne silikon die halfgeleiermateriaal was wat in die vroegste suksesvolle PV-toestelle gebruik is, dit steeds die mees gebruikte PV-materiaal is, en hoewel ander PV-materiale en -ontwerpe die PV-effek op effens verskillende maniere benut, wetende hoe die effek in kristallyne silikon werk, gee ons 'n basiese begrip van hoe dit in alle toestelle werk
Soos in hierdie vereenvoudigde diagram hierbo uitgebeeld, het silikon 14 elektrone. Die vier elektrone wat die kern in die buitenste vlak of 'valensie' energievlak wentel, word gegee aan, aanvaar of gedeel met ander atome.
'N Atoombeskrywing van silikon
Alle materie bestaan ​​uit atome. Atome bestaan ​​op hul beurt uit positief gelaaide protone, negatief gelaaide elektrone en neutrale neutrone. Die protone en neutrone, wat ongeveer ewe groot is, bestaan ​​uit die nouverpakte sentrale "kern" van die atoom, waar byna die hele massa van die atoom geleë is. Die baie ligter elektrone wentel om 'n baie hoë snelheid om die kern. Alhoewel die atoom uit teenoorgestelde gelaaide deeltjies gebou is, is die totale lading daarvan neutraal omdat dit 'n gelyke aantal positiewe protone en negatiewe elektrone bevat.
'N Atoombeskrywing van silikon - die silikonmolekuul
Die Silicon Molecule.
Die elektrone wentel om verskillende afstande om die kern, afhangend van hul energievlak; 'n elektron met minder energie wentelbane naby die kern, terwyl een met 'n groter energie wentel verder weg. Die elektrone wat die verste van die kern is, is in wisselwerking met die van naburige atome om vas te stel hoe soliede strukture gevorm word.
Die silikonatoom het 14 elektrone, maar die natuurlike orbitale rangskikking daarvan kan slegs die buitenste vier daarvan aan ander atome gegee word, aanvaar word, of dit gedeel word. Hierdie vier buitenste elektrone, genaamd 'valensie' -elektrone, speel 'n belangrike rol in die fotovoltaïese effek.
'N Groot aantal silikonatome kan deur middel van hul valensie-elektrone bind om 'n kristal te vorm. In 'n kristallyne vaste stof deel elke silikonatoom gewoonlik een van sy vier valenselektrone in 'n 'kovalente' binding met elk van die vier aangrensende silikonatome. Die vaste stof bestaan ​​dan uit basiese eenhede van vyf silikonatome: die oorspronklike atoom plus die vier ander atome waarmee hy sy valenselektrone deel. In die basiseenheid van 'n kristallyne silikonvaste stof deel 'n silikonatoom elk van sy vier valenselektrone met elk van vier naburige atome.
Die soliede silikonkristal bestaan ​​dan uit 'n gereelde reeks eenhede van vyf silikonatome. Hierdie gereelde, vaste rangskikking van silikonatome staan ​​bekend as die 'kristalrooster'.
Fosfor as halfgeleiermateriaal
Fosfor as halfgeleiermateriaal.
Die proses van 'doping' bring 'n atoom van 'n ander element in die silikonkristal in om die elektriese eienskappe daarvan te verander. Die dopmiddel het óf drie óf vyf valenselektrone, in teenstelling met die silikon se vier.
Fosforatome, wat vyf valensie-elektrone het, word gebruik vir die doping van n-tipe silikon (omdat fosfor die vyfde, gratis elektron) bied.
'N Fosforatoom beset dieselfde plek in die kristalrooster wat voorheen beset is deur die silikonatoom wat dit vervang het. Vier van sy valenselektrone neem die bindingsverantwoordelikhede oor van die vier silikonvalenselektrone wat hulle vervang het. Maar die vyfde valensie-elektron bly gratis sonder bindingsverantwoordelikhede. As daar silikon in 'n kristal deur talle fosforatome vervang word, word baie vrye elektrone beskikbaar.
Die vervanging van 'n fosforatoom (met vyf valenselektrone) vir 'n silikonatoom in 'n silikonkristal laat 'n ekstra, ongebonde elektron wat relatief vry is om rondom die kristal te beweeg.
Die algemeenste metode van doping is om die bokant van 'n laag silikon met fosfor te bedek en dan die oppervlak te verhit. Dit laat die fosforatome in die silikon diffundeer. Die temperatuur word dan verlaag sodat die diffusietempo tot nul daal. Ander metodes om fosfor in silikon in te voer, is gasdiffusie, 'n vloeibare dopmiddelbespuitingsproses, en 'n tegniek waarin fosforione presies in die oppervlak van die silikon gedryf word.
Boor as halfgeleiermateriaal
Boor as halfgeleiermateriaal.
Natuurlik kan silikon van n-tipe nie die elektriese veld op sigself vorm nie; Dit is ook nodig dat silikon verander moet word om die teenoorgestelde elektriese eienskappe te hê. Boor, wat drie valenselektrone het, word dus gebruik vir die doping van p-tipe silikon. Boor word tydens silikonverwerking ingevoer, waar silikon gesuiwer word vir gebruik in PV-toestelle. Wanneer 'n booratoom 'n posisie inneem in die kristalrooster wat voorheen deur 'n silikonatoom beset is, ontbreek 'n band 'n elektron (met ander woorde, 'n ekstra gat).
Deur 'n booratoom (met drie valenselektrone) vir 'n silikonatoom in 'n silikonkristal te vervang, laat 'n gat ('n band wat 'n elektron ontbreek) vry wat relatief vry is om rondom die kristal te beweeg.
Ander halfgeleier materiale
Polikristallyne dunfilmselle het 'n heterogunksiestruktuur, waarin die boonste laag van 'n ander halfgeleiermateriaal bestaan ​​as die onderste halfgeleierlaag.
Soos silikon, moet alle PV-materiale in p-tipe en n-tipe konfigurasies gemaak word om die nodige elektriese veld te skep wat 'n PV-sel kenmerk. Maar dit word op verskillende maniere gedoen, afhangende van die eienskappe van die materiaal. Die unieke struktuur van amorfe silikon maak byvoorbeeld 'n intrinsieke laag (of i-laag) nodig. Hierdie ongedopte laag amorfe silikon pas tussen die n-tipe en die p-tipe lae om 'n p-i-n-ontwerp te vorm.
Polikristallyne dun films soos koper-indiumdiselenied (CuInSe2) en kadmium-telluried (CdTe) toon groot belofte vir PV-selle. Maar hierdie materiale kan nie eenvoudig gedoop word om n- en p-lae te vorm nie. In plaas daarvan word lae van verskillende materiale gebruik om hierdie lae te vorm. Byvoorbeeld, 'n "raam" -laag kadmiumsulfied of soortgelyke materiaal word gebruik om die ekstra elektrone te verskaf wat nodig is om dit n-tipe te maak. CuInSe2 kan self vervaardig word uit p-tipe, terwyl CdTe voordeel trek uit 'n p-tipe laag wat van 'n materiaal soos sink telluride (ZnTe) gemaak is.
Galliumarsenied (GaAs) word op soortgelyke wyse aangepas, gewoonlik met indium, fosfor of aluminium, om 'n wye reeks n- en p-tipe materiale te produseer.
Omskakelingsdoeltreffendheid van 'n PV-sel
* Die omskakelingsdoeltreffendheid van 'n PV-sel is die verhouding sonligergie wat die sel omskakel na elektriese energie. Dit is baie belangrik as u PV-toestelle bespreek, want die verbetering van hierdie doeltreffendheid is noodsaaklik om PV-energie mededingend te maak met meer tradisionele energiebronne (bv. Fossielbrandstowwe). Natuurlik, as een doeltreffende sonkragpaneel soveel energie kan lewer as twee minder doeltreffende panele, sal die koste van daardie energie (om nie eens te praat van die benodigde ruimte nie) verminder word. Ter vergelyking het die vroegste PV-toestelle ongeveer 1% -2% van die sonlig-energie omgeskakel in elektriese energie. Vandag se PV-toestelle omskep 7% -17% van ligenergie in elektriese energie. Die ander kant van die vergelyking is natuurlik die geld wat dit kos om die PV-toestelle te vervaardig. Dit is ook deur die jare verbeter. In werklikheid produseer die huidige PV-stelsels elektrisiteit teen 'n fraksie van die koste van vroeë PV-stelsels.