Фотоэлемент (Skmkzlybyum)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6c/CsSb_photo%D1%81ell.jpg/250px-CsSb_photo%D1%81ell.jpg)
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы[1]. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте[2]. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
Полуволные средства стимуляции
[править | править код]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fd/4inch_poly_solar_cell.jpg/250px-4inch_poly_solar_cell.jpg)
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 32,5 %[3]. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 43,5 %[4], 44,4 %[5], 44,7 %[6].
Отсутствие выпрямительных диодов и эффективных антенн на частоты электромагнитного излучения, соответствующие свету, пока не позволяет создавать фотоэлектрические преобразователи, использующие свойства кванта как электромагнитной волны, наводящей переменную ЭДС в дипольной антенне, хотя, теоретически, это возможно. От таких устройств можно было бы ожидать не только лучшего КПД, но и меньшей температурной зависимости и деградации со временем.
Физический принцип работы фотоэлемента
[править | править код]Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
- отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
- прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
- рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
- рекомбинацией образовавшихся фото-пар, на поверхностях и в объёме ФЭП,
- внутренним сопротивлением преобразователя,
- и некоторыми другими физическими процессами.
Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
- использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
- направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
- переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
- оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
- применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
- разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
- создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно-переизлучающих структур, линз Френеля, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.
Фотоэлементы промышленного назначения
[править | править код]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/94/Photovoltaics_cell_production.svg/langru-419px-Photovoltaics_cell_production.svg.png)
На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:
- высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
- высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
- приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
- минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
- удобство техобслуживания.
Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки.
Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.
Кроме того, фотоэлементы используются в защитных устройствах, в системах управления производственными процессами, химических анализаторах, системах контроля за сгоранием топлива, за температурой, для контроля качества продукции массового производства, для светотехнических измерений, в указателях уровня, в счётных устройствах, для синхронизации, для автоматического открывания дверей, в реле времени, в записывающих устройствах[7].
На транспорте
[править | править код]Фотоэлементы используются в Петербургском метрополитене на Московско-Петроградской и Невско-Василеостровской линиях, где находятся станции закрытого типа, — на фотоэлемент подаётся сигнал со светильника открытия станционных дверей, находящегося снизу кузова вагона для открытия платформенных раздвижных дверей[8][9][10].
См. также
[править | править код]- Органические полупроводники
- Солнечная энергетика
- Солнечная батарея
- Solar Impulse (официальное название HB-SIA) — европейский проект по созданию самолёта, работающего исключительно на солнечных батареях.
- Рулонная технология
Примечания
[править | править код]- ↑ Фотоэлемент // Большой Энциклопедический словарь. 2000.
- ↑ Фотоэлемент / М. М. Колтун // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- ↑ Overclockers.ru: Немецкие ученые установили новый рекорд эффективности солнечных батарей - 32,5 процента . Overclockers.ru. Дата обращения: 5 января 2023. Архивировано 5 января 2023 года.
- ↑ «Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43,5 % Efficiency» [1] Архивная копия от 21 февраля 2014 на Wayback Machine, 19 апреля, 2011
- ↑ Sharp разработала концентрирующий фотоэлемент с кпд 44,4 % . Дата обращения: 30 марта 2014. Архивировано из оригинала 30 марта 2014 года.
- ↑ Новый рекорд КПД фотоэлемента: 44,7 % . Дата обращения: 30 марта 2014. Архивировано 30 марта 2014 года.
- ↑ Саммер В. Фотоэлементы в промышленности. — М. — Л., Госэнергоздат, 1961. — 568 c
- ↑ "Юбилейный" поезд хромает в тоннеле (фото) . Фонтанка.ру (4 февраля 2016). Дата обращения: 18 июля 2022. Архивировано 8 августа 2022 года.
- ↑ Роман ЛЯЛИН. Метрополитен Петербурга раскрыл секрет, как открываются станционные двери . kp.ru. «Комсомольская правда» (2 июня 2019).
- ↑ В метро Петербурга раскрыли секрет автоматических дверей на закрытых станциях . Телеканал Санкт-Петербург (2 июня 2019). Дата обращения: 17 июня 2024.
Литература
[править | править код]- Саммер В. Фотоэлементы в промышленности. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1961. — 568 с. — 12 000 экз.
- Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. — Л.: Наука, 1989. — 310 с. — ISBN 5-02-024384-1. Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine
- Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. — 4 изд.. — М., 1987.
- Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. — 2 изд.. — М., 1988.
- Marti A., Luque A. Next generation photovoltaics. — B&Ph.: Institute of physics publishing, 2004. — 344 с. — ISBN 0-75-030905-9.
Ссылки
[править | править код]В статье есть список источников, но не хватает сносок. |