Halbleiter-Photovoltaik-Energiewandler (Fotozellen)

Fotozellen sind elektronische Geräte, die die Energie von Photonen in die Energie eines elektrischen Stroms umwandeln sollen.

Historisch gesehen wurde der erste Prototyp der modernen Fotozelle erfunden Alexander G. Stoletov am Ende des 19. Jahrhunderts. Er entwickelt ein Gerät, das nach dem Prinzip des externen photoelektrischen Effekts funktioniert. Die erste experimentelle Installation bestand aus einem Paar paralleler flacher Metallbleche, von denen eines aus Mesh bestand, um Licht durchzulassen, und das andere massiv war.

An die Bleche wurde eine konstante Spannung angelegt, die im Bereich von 0 bis 250 Volt eingestellt werden konnte. Der Pluspol der Spannungsquelle wurde mit der Gitterelektrode und der Minuspol mit dem Festkörper verbunden. Ein empfindliches Galvanometer wurde ebenfalls in das System einbezogen.

Wenn eine feste Platte mit Licht eines elektrischen Lichtbogens beleuchtet wurde, Galvanometernadel abgelenkt, was darauf hinweist, dass im Stromkreis Gleichstrom erzeugt wird, obwohl sich Luft zwischen den Scheiben befindet.Im Experiment stellte der Wissenschaftler fest, dass die Stärke des „Photostroms“ sowohl von der angelegten Spannung als auch von der Intensität des Lichts abhängt.

Um die Installation zu erschweren, platziert Stoletov die Elektroden in einem Zylinder, aus dem Luft evakuiert wird, und ultraviolettes Licht wird durch ein Quarzfenster der empfindlichen Elektrode zugeführt. Es war also offen Fotoeffekt.

Aufgrund dieses Effekts funktioniert es heute Photovoltaik-Wandler… Sie reagieren auf elektromagnetische Strahlung, die auf die Oberfläche des Elements fällt, und wandeln diese in eine Ausgangsspannung um. Ein Beispiel für einen solchen Konverter ist Solarzelle… Das gleiche Prinzip wird von verwendet lichtempfindliche Sensoren.

Eine typische Fotozelle besteht aus einer Schicht aus lichtempfindlichem Material mit hohem Widerstand, die zwischen zwei leitenden Elektroden liegt. Als photovoltaisches Material für Solarzellen wird es häufig verwendet Halbleiter, das bei voller Beleuchtung 0,5 Volt am Ausgang liefern kann.

Solche Elemente sind im Hinblick auf die erzeugte Energie am effizientesten, da sie eine direkte einstufige Übertragung der Photonenenergie ermöglichen – im elektrischen Strom... Unter normalen Bedingungen ist für solche Elemente ein Wirkungsgrad von 28 % die Norm.

Dabei entsteht aufgrund der Inhomogenität der Halbleiterstruktur des Arbeitsmaterials ein intensiver photoelektrischer Effekt.Diese Inhomogenität wird entweder dadurch erreicht, dass das verwendete Halbleitermaterial mit unterschiedlichen Verunreinigungen dotiert wird und dadurch ein pn-Übergang entsteht, oder durch die Verbindung von Halbleitern mit unterschiedlichen Lückengrößen (Energien, bei denen Elektronen ihre Atome verlassen) – man erhält so einen Heteroübergang – oder durch die Wahl einer solchen Chemikalie Zusammensetzung des Halbleiters, dass im Inneren ein Bandlückengradient – ​​eine abgestufte Lückenstruktur – auftritt. Daher hängt die Effizienz eines bestimmten Elements von den Inhomogenitätseigenschaften ab, die innerhalb einer bestimmten Halbleiterstruktur erzielt werden, sowie von der Fotoleitfähigkeit.

Um Verluste in einer Solarzelle zu reduzieren, werden bei ihrer Herstellung eine Reihe von Vorschriften angewendet. Zum einen werden Halbleiter verwendet, deren Bandlücke gerade für Sonnenlicht optimal ist, zum Beispiel Verbindungen aus Silizium und Galliumarsenid, zum anderen werden die Eigenschaften der Struktur durch optimale Dotierung verbessert. Bevorzugt werden heterogene und abgestufte Strukturen. Dabei werden die optimale Dicke der Schicht, die Tiefe des pn-Übergangs und die besten Parameter des Kontaktgitters ausgewählt.

Es entstehen auch Kaskadenelemente, bei denen mehrere Halbleiter mit unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten, so dass das Licht nach Durchlaufen einer Kaskade in die nächste gelangt usw. Die Idee, das Sonnenspektrum zu zerlegen, sieht vielversprechend aus, so dass jedes seiner Regionen werden aus einem separaten Abschnitt der Fotozelle umgewandelt.

Heutzutage gibt es drei Haupttypen von Photovoltaikzellen auf dem Markt: monokristallines Silizium, polykristallines Silizium und Dünnschichtzellen.Dünne Filme gelten als die vielversprechendsten, da sie selbst gegenüber Streulicht empfindlich sind, auf gekrümmten Oberflächen angebracht werden können, nicht so spröde wie Silizium sind und auch bei hohen Betriebstemperaturen wirksam sind.

Siehe auch: Effizienz von Solarzellen und Modulen