Semiconductor photovoltaic energy converters (photocells)

Ang mga photocell ay mga elektronikong aparato na idinisenyo upang i-convert ang enerhiya ng mga photon sa enerhiya ng isang electric current.

Sa kasaysayan, ang unang prototype ng modernong photocell ay naimbento Alexander G. Stoletov sa pagtatapos ng ika-19 na siglo. Lumilikha siya ng isang aparato na gumagana sa prinsipyo ng panlabas na epekto ng photoelectric. Ang unang pang-eksperimentong pag-install ay binubuo ng isang pares ng parallel flat metal sheets, ang isa ay gawa sa mesh upang payagan ang liwanag na dumaan at ang isa ay solid.

Ang isang pare-parehong boltahe ay inilapat sa mga sheet, na maaaring iakma sa hanay ng 0 hanggang 250 volts. Ang positibong poste ng pinagmumulan ng boltahe ay konektado sa grid electrode at ang negatibong poste sa solid. Kasama rin sa scheme ang isang sensitibong galvanometer.

Kapag ang isang solidong sheet ay naiilawan ng liwanag mula sa isang electric arc, karayom ​​ng galvanometer pinalihis, na nagpapahiwatig na ang isang direktang kasalukuyang nabubuo sa circuit sa kabila ng katotohanan na mayroong hangin sa pagitan ng mga disc.Sa eksperimento, natuklasan ng siyentipiko na ang magnitude ng "photocurrent" ay depende sa parehong inilapat na boltahe at ang intensity ng liwanag.

Ang kumplikado sa pag-install, inilalagay ni Stoletov ang mga electrodes sa loob ng isang silindro kung saan ang hangin ay inilikas, at ang ultraviolet light ay pinapakain sa sensitibong elektrod sa pamamagitan ng isang quartz window. Kaya ito ay bukas epekto ng larawan.

Ngayon, batay sa epekto na ito, gumagana ito mga photovoltaic converter… Nagre-react sila sa electromagnetic radiation na bumabagsak sa ibabaw ng elemento at ginagawa itong output voltage. Ang isang halimbawa ng naturang converter ay solar cell… Ang parehong prinsipyo ay ginagamit ng mga photosensitive na sensor.

Ang isang tipikal na photocell ay binubuo ng isang layer ng mataas na resistensyang photosensitive na materyal na nasa pagitan ng dalawang conductive electrodes. Bilang isang photovoltaic na materyal para sa mga solar cell, ito ay karaniwang ginagamit semiconductor, na, kapag ganap na naiilaw, ay may kakayahang magbigay ng 0.5 volts sa output.

Ang mga nasabing elemento ay pinaka-epektibo mula sa punto ng view ng nabuong enerhiya, dahil pinapayagan nila ang direktang paglipat ng isang hakbang ng enerhiya ng photon — sa electric current... Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang isang kahusayan ng 28% ay ang pamantayan para sa mga naturang elemento.

Dito, ang isang matinding photoelectric effect ay nangyayari dahil sa inhomogeneity ng semiconductor na istraktura ng nagtatrabaho na materyal.Nakukuha ang inhomogeneity na ito sa pamamagitan ng doping ng materyal na semiconductor na ginamit na may iba't ibang impurities, sa gayon ay lumilikha ng pn junction, o sa pamamagitan ng pagkonekta ng mga semiconductors na may iba't ibang laki ng gap (mga enerhiya kung saan iniiwan ng mga electron ang kanilang mga atomo)—sa gayon ay nakakakuha ng heterojunction, o sa pamamagitan ng pagpili ng naturang kemikal komposisyon ng semiconductor na lumilitaw sa loob ng bandgap gradient—isang graded-gap structure. Bilang isang resulta, ang kahusayan ng isang naibigay na elemento ay nakasalalay sa mga katangian ng inhomogeneity na nakuha sa loob ng isang partikular na istraktura ng semiconductor pati na rin ang photoconductivity.

Upang mabawasan ang mga pagkalugi sa isang solar cell, maraming mga regulasyon ang ginagamit sa kanilang paggawa. Una, ang mga semiconductor ay ginagamit na ang bandgap ay pinakamainam para lamang sa sikat ng araw, halimbawa mga compound ng silicon at gallium arsenide. Pangalawa, ang mga katangian ng istraktura ay pinabuting sa pamamagitan ng pinakamainam na doping. Ang kagustuhan ay ibinibigay sa mga heterogenous at graded na istruktura. Ang pinakamainam na kapal ng layer, ang lalim ng p-n-junction at ang pinakamahusay na mga parameter ng contact grid ay pinili.

Ang mga elemento ng cascade ay nilikha din, kung saan gumagana ang ilang mga semiconductor na may iba't ibang frequency band, upang matapos na dumaan sa isang cascade, ang ilaw ay pumapasok sa susunod, atbp. ang mga rehiyon ay binago mula sa hiwalay na seksyon ng photocell.

Mayroong tatlong pangunahing uri ng mga photovoltaic cell sa merkado ngayon: monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, at thin film.Ang mga manipis na pelikula ay itinuturing na pinaka-promising dahil ang mga ito ay sensitibo kahit na sa ligaw na liwanag, maaaring ilagay sa mga hubog na ibabaw, ay hindi kasing luto ng silicon, at epektibo kahit na sa mataas na temperatura ng pagpapatakbo.

Tingnan din: Kahusayan ng mga solar cell at module