Polovodičové fotovoltaické měniče energie (fotočlánky)

Fotobuňky jsou elektronická zařízení určená k přeměně energie fotonů na energii elektrického proudu.

Historicky byl vynalezen první prototyp moderní fotobuňky Alexander G. Stoletov na konci 19. století. Vytváří zařízení, které funguje na principu vnějšího fotoelektrického jevu. První experimentální instalace sestávala z dvojice rovnoběžných plochých plechů, z nichž jeden byl vyroben ze síťoviny pro průchod světla a druhý byl pevný.

Na plechy bylo aplikováno konstantní napětí, které bylo možné nastavit v rozsahu 0 až 250 voltů. Kladný pól zdroje napětí byl připojen k mřížkové elektrodě a záporný pól k pevné látce. Do schématu byl zahrnut i citlivý galvanometr.

Když byla pevná plachta osvětlena světlem z elektrického oblouku, jehla galvanometru vychýlený, což znamená, že v obvodu vzniká stejnosměrný proud, přestože mezi disky je vzduch.V experimentu vědec zjistil, že velikost „fotoproudu“ závisí jak na použitém napětí, tak na intenzitě světla.

Instalaci komplikuje Stoletov umístěním elektrod do válce, ze kterého se odsává vzduch a ultrafialové světlo je přiváděno k citlivé elektrodě přes křemenné okénko. Takže to bylo otevřené fotografický efekt.

Dnes to na základě tohoto efektu funguje fotovoltaické měniče… Reagují na elektromagnetické záření dopadající na povrch prvku a převádějí ho na výstupní napětí. Příkladem takového převodníku je solární panel… Stejný princip používá fotosenzitivní senzory.

Typický fotočlánek se skládá z vrstvy vysoce odolného fotocitlivého materiálu vložené mezi dvě vodivé elektrody. Jako fotovoltaický materiál pro solární články se běžně používá polovodič, který, když je plně osvětlen, je schopen dávat 0,5 voltu na výstupu.

Takové prvky jsou nejúčinnější z hlediska generované energie, protože umožňují přímý jednokrokový přenos fotonové energie — v elektrickém proudu... Za normálních podmínek je pro takové prvky normou účinnost 28 %.

Zde dochází k intenzivnímu fotoelektrickému jevu v důsledku nehomogenity polovodičové struktury pracovního materiálu.Této nehomogenity se dosáhne buď dopováním použitého polovodičového materiálu různými nečistotami, čímž se vytvoří pn přechod, nebo spojením polovodičů s různou velikostí mezer (energie, ve kterých elektrony opouštějí své atomy) – čímž se získá heteropřechod, nebo výběrem takové chemické složení polovodiče, ve kterém se uvnitř objevuje gradient bandgap – struktura s odstupňovanou mezerou. V důsledku toho závisí účinnost daného prvku na charakteristikách nehomogenity získaných uvnitř konkrétní polovodičové struktury a také na fotovodivosti.

Pro snížení ztrát v solárním článku se při jejich výrobě používá řada předpisů. Za prvé se používají polovodiče, jejichž bandgap je optimální právě pro sluneční záření, například sloučeniny křemíku a arsenidu galia, za druhé se vlastnosti struktury zlepší optimálním dopováním. Přednost se dává heterogenním a odstupňovaným strukturám. Je zvolena optimální tloušťka vrstvy, hloubka p-n-přechodu a nejlepší parametry kontaktní mřížky.

Vznikají také kaskádové prvky, kde pracuje více polovodičů s různými frekvenčními pásmy, takže po průchodu jednou kaskádou světlo vstupuje do další atd. Myšlenka rozkladu slunečního spektra vypadá slibně, takže každý z jeho oblasti jsou transformovány ze samostatné části fotobuňky.

V současnosti jsou na trhu tři hlavní typy fotovoltaických článků: monokrystalický křemík, polykrystalický křemík a tenký film.Tenké fólie jsou považovány za nejslibnější, protože jsou citlivé i na rozptýlené světlo, lze je umístit na zakřivené povrchy, nejsou tak křehké jako křemík a jsou účinné i při vysokých provozních teplotách.

Viz také: Účinnost solárních článků a modulů