محولات الطاقة الكهروضوئية لأشباه الموصلات (الخلايا الضوئية)

الخلايا الضوئية هي أجهزة إلكترونية مصممة لتحويل طاقة الفوتونات إلى طاقة تيار كهربائي.

تاريخيا ، تم اختراع أول نموذج أولي للخلية الكهروضوئية الحديثة الكسندر ج.ستوليتوف في نهاية القرن التاسع عشر. يقوم بإنشاء جهاز يعمل على مبدأ التأثير الكهروضوئي الخارجي. يتكون التركيب التجريبي الأول من زوج من الصفائح المعدنية المسطحة المتوازية ، أحدهما مصنوع من شبكة للسماح بمرور الضوء والآخر كان صلبًا.

تم تطبيق جهد ثابت على الألواح ، والذي يمكن ضبطه في حدود 0 إلى 250 فولت. تم توصيل القطب الموجب لمصدر الجهد بإلكترود الشبكة والقطب السالب بالمادة الصلبة. كما تم تضمين جلفانومتر حساس في المخطط.

عندما تضيء ورقة صلبة بضوء من قوس كهربائي ، إبرة الجلفانومتر منحرف ، مما يشير إلى أن تيارًا مباشرًا يتولد في الدائرة على الرغم من وجود هواء بين الأقراص.في التجربة ، وجد العالم أن حجم "التيار الضوئي" يعتمد على كل من الجهد المطبق وشدة الضوء.

مما يعقد عملية التثبيت ، يضع Stoletov الأقطاب الكهربائية داخل أسطوانة يتم إخلاء الهواء منها ، ويتم تغذية الضوء فوق البنفسجي إلى القطب الحساس من خلال نافذة كوارتز. لذلك كان مفتوحًا تأثير الصورة.

اليوم ، بناءً على هذا التأثير ، يعمل المحولات الكهروضوئية... تتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط على سطح العنصر وتحوله إلى جهد خرج. مثال على هذا المحول هو الخلايا الشمسية… يتم استخدام نفس المبدأ من قبل مجسات حساسة للضوء.

تتكون الخلية الكهروضوئية النموذجية من طبقة من مادة عالية المقاومة للحساسية للضوء محصورة بين قطبين موصلين. كمادة كهروضوئية للخلايا الشمسية ، يتم استخدامها بشكل شائع أشباه الموصلات، والتي ، عندما تكون مضاءة بالكامل ، قادرة على إعطاء 0.5 فولت عند الخرج.

هذه العناصر هي الأكثر كفاءة من وجهة نظر الطاقة المتولدة ، لأنها تسمح بنقل مباشر لطاقة الفوتون بخطوة واحدة - في التيار الكهربائي... في ظل الظروف العادية ، تكون الكفاءة بنسبة 28٪ هي المعيار لمثل هذه العناصر.

هنا ، يحدث تأثير كهروضوئي شديد بسبب عدم تجانس بنية أشباه الموصلات لمواد العمل.يتم الحصول على عدم التجانس هذا إما عن طريق تعاطي مادة أشباه الموصلات المستخدمة مع شوائب مختلفة ، وبالتالي إنشاء تقاطع pn ، أو عن طريق توصيل أشباه الموصلات بأحجام فجوات مختلفة (الطاقات التي تترك فيها الإلكترونات ذراتها) - وبذلك يحصل على ارتباط غير متجانس ، أو عن طريق اختيار مادة كيميائية كهذه تكوين أشباه الموصلات الذي يظهر بداخله تدرج ذو فجوة نطاق - بنية فجوة متدرجة. نتيجة لذلك ، تعتمد كفاءة عنصر معين على خصائص عدم التجانس التي تم الحصول عليها داخل بنية أشباه الموصلات المعينة بالإضافة إلى الموصلية الضوئية.

لتقليل الخسائر في الخلايا الشمسية ، يتم استخدام عدد من اللوائح في تصنيعها. أولاً ، يتم استخدام أشباه الموصلات التي تكون فجوة النطاق هي الأمثل لأشعة الشمس فقط ، على سبيل المثال مركبات السيليكون وزرنيخيد الغاليوم ، وثانيًا ، يتم تحسين خصائص الهيكل عن طريق المنشطات المثلى. تعطى الأفضلية للهياكل غير المتجانسة والمتدرجة. يتم تحديد السماكة المثلى للطبقة وعمق تقاطع p-n وأفضل معلمات شبكة الاتصال.

يتم أيضًا إنشاء عناصر Cascade ، حيث تعمل العديد من أشباه الموصلات ذات نطاقات التردد المختلفة ، بحيث بعد المرور عبر سلسلة واحدة ، يدخل الضوء التالي ، وما إلى ذلك. تبدو فكرة تحلل الطيف الشمسي واعدة ، بحيث تبدو فكرة تحلل الطيف الشمسي واعدة. يتم تحويل المناطق من قسم منفصل من الخلية الكهروضوئية.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الخلايا الكهروضوئية في السوق اليوم: السيليكون أحادي البلورية ، والسيليكون متعدد البلورات ، والأغشية الرقيقة.تعتبر الأغشية الرقيقة الواعدة لأنها حساسة حتى للضوء الشارد ، ويمكن وضعها على الأسطح المنحنية ، وليست هشة مثل السيليكون ، وهي فعالة حتى في درجات حرارة التشغيل العالية.

أنظر أيضا: كفاءة الخلايا والوحدات الشمسية