Zasada ogniwa słonecznego

Słońce świeci na półprzewodnikowe złącze pn, tworząc nową parę dziura-elektron. Pod wpływem wbudowanego pola elektrycznego w złączu pn fotogenerowane dziury przepływają do obszaru p, a fotogenerowane elektrony przepływają do regionu n. Po podłączeniu obwodu generowany jest prąd. Jest to zasada działania ogniw słonecznych z efektem fotoelektrycznym.
Istnieją dwa sposoby wytwarzania energii słonecznej, jeden to konwersja światło-ciepło-elektryczność, a drugi to bezpośrednia konwersja światło-elektryczność.
Konwersja fototermiczno-elektryczna
Tryb konwersji światło-ciepło-elektryczność wytwarza energię elektryczną, wykorzystując energię cieplną generowaną przez promieniowanie słoneczne. Generalnie pochłonięta energia cieplna jest przetwarzana przez kolektor słoneczny na parę czynnika roboczego, a następnie napędzana jest turbina parowa w celu wytworzenia energii elektrycznej. Pierwszy proces to proces konwersji światła na ciepło; Ten ostatni proces to proces konwersji ciepła na energię elektryczną, który jest taki sam jak zwykłe wytwarzanie energii cieplnej. Wadą słonecznej energii cieplnej jest to, że jej wydajność jest bardzo niska, a jej koszt bardzo wysoki. Szacuje się, że jej inwestycja jest co najmniej 5 do 10 razy wyższa niż w przypadku zwykłych elektrowni cieplnych. Elektrownia słoneczna o mocy 1000 MW musi zainwestować od 2 do 2,5 miliarda dolarów amerykańskich, przy średniej inwestycji 1 kW wynoszącej od 2000 do 2500 dolarów amerykańskich. W związku z tym można go stosować tylko na specjalne okazje na małą skalę, podczas gdy wykorzystanie na dużą skalę jest nieekonomiczne i nie może konkurować ze zwykłymi elektrowniami cieplnymi czy elektrowniami jądrowymi.
Bezpośrednia konwersja optyczno-elektryczna
Wytwarzanie energii z ogniw słonecznych odbywa się zgodnie z właściwościami fotoelektrycznymi określonych materiałów. Ciała doskonale czarne (takie jak słońce) emitują fale elektromagnetyczne o różnych długościach fal (odpowiadających różnym częstotliwościom), takie jak podczerwień, ultrafiolet, światło widzialne itp. Kiedy te promienie są napromieniowane na różne przewodniki lub półprzewodniki, fotony oddziałują ze swobodnymi elektronami w przewodnikach lub półprzewodników do generowania prądu. Im krótsza długość fali i wyższa częstotliwość promienia, tym wyższa jest jego energia. Na przykład energia promieniowania ultrafioletowego jest znacznie wyższa niż energia promieniowania podczerwonego. Jednak energia promieni o wszystkich długościach fal nie może zostać przekształcona w energię elektryczną. Warto zauważyć, że efekt fotowoltaiczny jest niezależny od natężenia promieni. Prąd może być generowany tylko wtedy, gdy częstotliwość osiągnie lub przekroczy próg, który może wywołać efekt fotowoltaiczny. Maksymalna długość fali światła, która może spowodować, że półprzewodnik wytworzy efekt fotowoltaiczny, jest związana z szerokością pasma wzbronionego półprzewodnika. Na przykład szerokość pasma wzbronionego krystalicznego krzemu wynosi około 1,155 eV w temperaturze pokojowej. Dlatego tylko światło o długości fali mniejszej niż 1100nm może wywołać efekt fotowoltaiczny w krzemie krystalicznym. Wytwarzanie energii z ogniw słonecznych jest odnawialną i przyjazną dla środowiska metodą wytwarzania energii. Nie będzie wytwarzać gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla i nie będzie zanieczyszczać środowiska. Zgodnie z materiałami produkcyjnymi można go podzielić na półprzewodnikową baterię na bazie krzemu, cienkowarstwową baterię CdTe, cienkowarstwową baterię CIGS, cienkowarstwową baterię uczuloną barwnikiem, baterię z materiału organicznego itp. Wśród nich ogniwa krzemowe są podzielone na monokryształ komórki, komórki polikrystaliczne i cienkowarstwowe komórki z amorficznego krzemu. Najważniejszym parametrem ogniw fotowoltaicznych jest wydajność konwersji. Wśród krzemowych ogniw słonecznych opracowanych w laboratorium wydajność monokrystalicznych ogniw krzemowych wynosi 25,0 procent, wydajność polikrystalicznych ogniw krzemowych wynosi 20,4 procent, wydajność cienkowarstwowych ogniw CIGS wynosi 19,6 procent, wydajność cienkowarstwowych ogniw CdTe wynosi 16,7 procent, a wydajność ogniw cienkowarstwowych z krzemu amorficznego (krzemu amorficznego) wynosi 10,1 procent
Ogniwo słoneczne jest rodzajem elementu fotoelektrycznego, który może przetwarzać energię. Jego podstawowa struktura jest wykonana z połączenia półprzewodników typu P i typu N. Najbardziej podstawowym materiałem półprzewodników jest „krzem”, który nie przewodzi prądu. Jeśli jednak w półprzewodnikach zostaną zmieszane różne zanieczyszczenia, można je przekształcić w półprzewodniki typu P i typu N. Następnie półprzewodniki typu P mają dziurę (półprzewodniki typu P mają o jeden elektron mniej z ładunkiem ujemnym, co można uznać za jeden ładunek dodatni więcej), a półprzewodniki typu N mają o jedną różnicę potencjałów wolnych elektronów więcej do generowania prądu, więc kiedy świeci słońce, energia świetlna pobudza elektrony w atomie krzemu, aby wytworzyć konwekcję elektronów i dziur. Na te elektrony i dziury będzie miał wpływ wbudowany potencjał i będą one przyciągane odpowiednio przez półprzewodniki typu N i typu P i gromadzą się na obu końcach. W tej chwili, jeśli strona zewnętrzna jest połączona z elektrodami w celu utworzenia obwodu, jest to zasada wytwarzania energii z ogniw słonecznych.
Krótko mówiąc, zasada wytwarzania energii fotowoltaicznej polega na wykorzystaniu ogniw słonecznych do pochłaniania światła słonecznego o długości fali 0,4 μm{2}},1 μM (dla kryształu krzemu), które bezpośrednio przekształca energię świetlną w energię elektryczną wydajność energetyczna.
Ponieważ energia elektryczna generowana przez ogniwa słoneczne jest prądem stałym, w przypadku konieczności zasilania urządzeń gospodarstwa domowego lub różnych urządzeń elektrycznych konieczne jest zainstalowanie przetwornicy DC/AC w celu zastąpienia jej prądem zmiennym przed dostarczeniem do gospodarstwa domowego lub moc przemysłowa.
Rozwój ładowania ogniw słonecznych Zastosowanie ogniw słonecznych w towarach konsumpcyjnych wiąże się głównie z problemem ładowania. W przeszłości ogólne obiekty do ładowania wykorzystywały suche ogniwa NiMH lub NiCd, ale suche ogniwa NiMH nie są odporne na wysoką temperaturę, a suche ogniwa NiCd mają problem z zanieczyszczeniem środowiska. Wraz z szybkim rozwojem superkondensatorów, dużą pojemnością, powierzchnią zapobiegającą kurczeniu się i niską ceną, niektóre produkty słoneczne zaczęły wykorzystywać superkondensatory jako obiekty ładujące, poprawiając w ten sposób wiele problemów związanych z ładowaniem słonecznym:
Szybkie ładowanie,
Żywotność jest ponad 5 razy dłuższa,
Zakres temperatur ładowania jest szeroki,
Zmniejsz zużycie ogniw słonecznych (mogą być ładowane przy niskim napięciu)