Poluvodički fotonaponski pretvarači energije (fotoćelije)

Fotoćelije su elektronički uređaji koji pretvaraju energiju fotona u energiju električne struje.

Povijesno gledano, izumljen je prvi prototip moderne fotoćelije Aleksandar G. Stoletov krajem 19. stoljeća. On stvara uređaj koji radi na principu vanjskog fotoelektričnog efekta. Prva eksperimentalna instalacija sastojala se od para paralelnih ravnih metalnih ploča, od kojih je jedna bila izrađena od mreže kako bi omogućila prolaz svjetlosti, a druga je bila čvrsta.

Na ploče se dovodio konstantni napon koji se mogao podešavati u rasponu od 0 do 250 volti. Pozitivni pol izvora napona spojen je na mrežnu elektrodu, a negativni pol na čvrsto tijelo. U shemu je također uključen osjetljivi galvanometar.

Kada je čvrsta ploča obasjana svjetlošću električnog luka, igla galvanometra skrenuta, što znači da se u krugu stvara istosmjerna struja unatoč činjenici da između diskova ima zraka.U eksperimentu je znanstvenik otkrio da veličina "fotostruje" ovisi i o primijenjenom naponu i o intenzitetu svjetlosti.

Komplicirajući instalaciju, Stoletov postavlja elektrode unutar cilindra iz kojeg se odvodi zrak, a ultraljubičasto svjetlo se dovodi do osjetljive elektrode kroz kvarcni prozor. Dakle, bilo je otvoreno foto efekt.

Danas, na temelju ovog učinka, djeluje fotonaponski pretvarači… Oni reagiraju na elektromagnetsko zračenje koje pada na površinu elementa i pretvaraju ga u izlazni napon. Primjer takvog pretvarača je solarna ćelija… Isti princip koristi i fotoosjetljivi senzori.

Tipična fotoćelija sastoji se od sloja fotoosjetljivog materijala visoke otpornosti smještenog između dvije vodljive elektrode. Često se koristi kao fotonaponski materijal za solarne ćelije poluvodič, koji, kada je potpuno osvijetljen, može dati 0,5 volti na izlazu.

Takvi elementi su najučinkovitiji sa stajališta generirane energije, jer omogućuju izravan prijenos energije fotona u jednom koraku — u električnoj struji... U normalnim uvjetima, učinkovitost od 28% je norma za takve elemente.

Ovdje dolazi do intenzivnog fotoelektričnog efekta zbog nehomogenosti poluvodičke strukture radnog materijala.Ta se nehomogenost postiže ili dopiranjem korištenog poluvodičkog materijala s različitim nečistoćama, stvarajući tako pn spoj, ili povezivanjem poluvodiča s različitim veličinama razmaka (energije pri kojima elektroni napuštaju svoje atome) — čime se dobiva heterospoj, ili odabirom takve kemikalije sastav poluvodiča u kojem se pojavljuje gradijent zabranjenog pojasa — struktura stupnjevanog jaza. Kao rezultat toga, učinkovitost danog elementa ovisi o karakteristikama nehomogenosti dobivenim unutar određene poluvodičke strukture kao io fotovodljivosti.

Kako bi se smanjili gubici u solarnim ćelijama, pri njihovoj izradi primjenjuju se brojni propisi. Prvo, koriste se poluvodiči čiji je zabranjeni pojas optimalan samo za sunčevu svjetlost, na primjer spojevi silicija i galijevog arsenida. Drugo, svojstva strukture se poboljšavaju optimalnim dopiranjem. Prednost se daje heterogenim i stupnjevanim strukturama. Odabire se optimalna debljina sloja, dubina p-n-spoja i najbolji parametri kontaktne mreže.

Također se stvaraju kaskadni elementi, gdje radi nekoliko poluvodiča s različitim frekvencijskim pojasima, tako da nakon prolaska kroz jednu kaskadu, svjetlost ulazi u sljedeću, itd. Ideja dekompozicije solarnog spektra izgleda obećavajuće, tako da svaki od svojih regija se transformira iz zasebnog dijela fotoćelije.

Na današnjem tržištu postoje tri glavne vrste fotonaponskih ćelija: monokristalni silicij, polikristalni silicij i tanki film.Tanki filmovi smatraju se najperspektivnijima jer su osjetljivi čak i na zalutalo svjetlo, mogu se postaviti na zakrivljene površine, nisu tako krti kao silicij i učinkoviti su čak i pri visokim radnim temperaturama.

Vidi također: Učinkovitost solarnih ćelija i modula