Αρχή της ηλιακής κυψέλης

Ο ήλιος λάμπει στη διασταύρωση ημιαγωγών pn για να σχηματίσει ένα νέο ζεύγος οπής-ηλεκτρονίου. Υπό την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτρικού πεδίου στη διασταύρωση pn, οι φωτοπαραγόμενες οπές ρέουν στην περιοχή p και τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια ρέουν στην περιοχή n. Αφού συνδεθεί το κύκλωμα, παράγεται το ρεύμα. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας των ηλιακών κυψελών με φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής ηλιακής ενέργειας, ο ένας είναι η μετατροπή φωτός-θερμότητας-ηλεκτρισμού και ο άλλος είναι η άμεση μετατροπή φωτός-ηλεκτρισμού.
Φωτοθερμική-ηλεκτρική μετατροπή
Η λειτουργία μετατροπής φωτός-θερμότητας-ηλεκτρισμού παράγει ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας τη θερμική ενέργεια που παράγεται από την ηλιακή ακτινοβολία. Γενικά, η απορροφούμενη θερμική ενέργεια μετατρέπεται στον ατμό του μέσου εργασίας από τον ηλιακό συλλέκτη και στη συνέχεια ο ατμοστρόβιλος οδηγείται για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Η πρώτη διαδικασία είναι η διαδικασία μετατροπής φωτός-θερμότητας. Η τελευταία διαδικασία είναι η διαδικασία μετατροπής θερμότητας-ηλεκτρισμού, η οποία είναι ίδια με τη συνηθισμένη παραγωγή θερμικής ενέργειας. Το μειονέκτημα της ηλιακής θερμικής παραγωγής ενέργειας είναι ότι η απόδοσή της είναι πολύ χαμηλή και το κόστος της είναι πολύ υψηλό. Υπολογίζεται ότι η επένδυσή της είναι τουλάχιστον 5 έως 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή των συνηθισμένων θερμοηλεκτρικών σταθμών. Ένας ηλιακός θερμοηλεκτρικός σταθμός ισχύος 1000 MW χρειάζεται να επενδύσει 2 έως 2,5 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, με μέση επένδυση 1 kW από 2000 έως 2500 δολάρια ΗΠΑ. Επομένως, μπορεί να εφαρμοστεί μόνο σε ειδικές περιπτώσεις σε μικρή κλίμακα, ενώ η χρήση σε μεγάλη κλίμακα δεν είναι οικονομική και δεν μπορεί να ανταγωνιστεί τους συνηθισμένους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς ή τους πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.
Άμεση οπτικοηλεκτρική μετατροπή
Η παραγωγή ενέργειας από ηλιακά κύτταρα γίνεται σύμφωνα με τις φωτοηλεκτρικές ιδιότητες συγκεκριμένων υλικών. Τα μαύρα σώματα (όπως ο ήλιος) εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαφορετικών μηκών κύματος (που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συχνότητες), όπως υπέρυθρο, υπεριώδες, ορατό φως κ.λπ. Όταν αυτές οι ακτίνες ακτινοβολούνται σε διαφορετικούς αγωγούς ή ημιαγωγούς, τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με ελεύθερα ηλεκτρόνια στους αγωγούς ή ημιαγωγούς για την παραγωγή ρεύματος. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος και όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της ακτίνας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που έχει. Για παράδειγμα, η ενέργεια της υπεριώδους ακτίνας είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή της υπέρυθρης ακτίνας. Ωστόσο, η ενέργεια των ακτίνων όλων των μηκών κύματος δεν μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Αξίζει να σημειωθεί ότι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι ανεξάρτητο από την ένταση των ακτίνων. Το ρεύμα μπορεί να δημιουργηθεί μόνο όταν η συχνότητα φτάσει ή ξεπεράσει το όριο που μπορεί να παράγει το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το μέγιστο μήκος κύματος του φωτός που μπορεί να κάνει τον ημιαγωγό να παράγει φωτοβολταϊκό φαινόμενο σχετίζεται με το πλάτος του διακένου ζώνης του ημιαγωγού. Για παράδειγμα, το πλάτος του διακένου ζώνης του κρυσταλλικού πυριτίου είναι περίπου 1,155 eV σε θερμοκρασία δωματίου. Επομένως, μόνο το φως με μήκος κύματος μικρότερο από 1100nm μπορεί να κάνει το κρυσταλλικό πυρίτιο να παράγει φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η παραγωγή ενέργειας από ηλιακές κυψέλες είναι μια μέθοδος παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και φιλική προς το περιβάλλον. Δεν θα παράγει αέρια θερμοκηπίου όπως το διοξείδιο του άνθρακα και δεν θα μολύνει το περιβάλλον. Σύμφωνα με τα υλικά παραγωγής, μπορεί να χωριστεί σε μπαταρία ημιαγωγών με βάση το πυρίτιο, μπαταρία λεπτής μεμβράνης CdTe, μπαταρία λεπτής μεμβράνης CIGS, μπαταρία λεπτής μεμβράνης ευαισθητοποιημένης με βαφή, μπαταρία οργανικού υλικού κ.λπ. Μεταξύ αυτών, οι κυψέλες πυριτίου χωρίζονται σε μονοκρύσταλλο κύτταρα, πολυκρυσταλλικά κύτταρα και κύτταρα λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου. Η πιο σημαντική παράμετρος για τα ηλιακά κύτταρα είναι η απόδοση μετατροπής. Μεταξύ των ηλιακών κυψελών με βάση το πυρίτιο που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο, η απόδοση των κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι 25,0 τοις εκατό, η απόδοση των κυψελών πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι 20,4 τοις εκατό, η απόδοση των κυττάρων λεπτής μεμβράνης CIGS είναι 19,6 τοις εκατό, η απόδοση των κυττάρων C είναι 16,7 τοις εκατό και η απόδοση των κυττάρων λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου (άμορφο πυρίτιο) είναι 10,1 τοις εκατό
Το ηλιακό στοιχείο είναι ένα είδος φωτοηλεκτρικού στοιχείου που μπορεί να μετατρέψει ενέργεια. Η βασική του δομή γίνεται με το συνδυασμό ημιαγωγών τύπου P και τύπου N. Το βασικότερο υλικό των ημιαγωγών είναι το «πυρίτιο», το οποίο είναι μη αγώγιμο. Ωστόσο, εάν αναμειχθούν διαφορετικές ακαθαρσίες στους ημιαγωγούς, μπορούν να κατασκευαστούν σε ημιαγωγούς τύπου P και τύπου N. Στη συνέχεια, οι ημιαγωγοί τύπου P έχουν μια οπή (οι ημιαγωγοί τύπου P έχουν ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο με αρνητικό φορτίο, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ακόμη θετικό φορτίο) και οι ημιαγωγοί τύπου Ν έχουν μια ακόμη διαφορά δυναμικού ελεύθερου ηλεκτρονίου για να παράγουν ρεύμα. όταν λάμπει ο ήλιος, η φωτεινή ενέργεια διεγείρει τα ηλεκτρόνια στο άτομο του πυριτίου για να παράγει τη μεταφορά ηλεκτρονίων και οπών. Αυτά τα ηλεκτρόνια και οι οπές θα επηρεαστούν από το ενσωματωμένο δυναμικό και θα έλκονται από ημιαγωγούς τύπου Ν και τύπου P αντίστοιχα και θα συγκεντρωθούν και στα δύο άκρα. Αυτή τη στιγμή, εάν το εξωτερικό συνδέεται με ηλεκτρόδια για να σχηματιστεί ένα κύκλωμα, αυτή είναι η αρχή της παραγωγής ενέργειας από ηλιακές κυψέλες.
Εν ολίγοις, η αρχή της ηλιακής φωτοβολταϊκής παραγωγής ενέργειας είναι η χρήση ηλιακών κυψελών για την απορρόφηση του ηλιακού φωτός 0.4 μ m-1.1 μ M μήκους κύματος (για κρύσταλλο πυριτίου), το οποίο μετατρέπει άμεσα την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική παραγωγή ενέργειας.
Δεδομένου ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τις ηλιακές κυψέλες είναι συνεχές ρεύμα, εάν είναι απαραίτητο να τροφοδοτηθεί με ρεύμα σε οικιακές συσκευές ή σε διάφορες ηλεκτρικές συσκευές, είναι απαραίτητο να εγκαταστήσετε έναν μετατροπέα DC/AC για να τον αντικαταστήσετε με εναλλασσόμενο ρεύμα πριν να τροφοδοτηθεί σε οικιακή ή βιομηχανική δύναμη.
Η ανάπτυξη φόρτισης των ηλιακών κυψελών Η εφαρμογή των ηλιακών κυψελών σε καταναλωτικά αγαθά έχει ως επί το πλείστον το πρόβλημα της φόρτισης. Στο παρελθόν, τα γενικά αντικείμενα φόρτισης χρησιμοποιούσαν ξηρές κυψέλες NiMH ή NiCd, αλλά οι ξηρές κυψέλες NiMH δεν μπορούν να αντισταθούν σε υψηλή θερμοκρασία και οι ξηρές κυψέλες NiCd έχουν το πρόβλημα της ρύπανσης του περιβάλλοντος. Με την ταχεία ανάπτυξη των υπερπυκνωτών, τη μεγάλη χωρητικότητα, την αντισυρρικνυόμενη περιοχή και τη χαμηλή τιμή, ορισμένα ηλιακά προϊόντα άρχισαν να χρησιμοποιούν υπερπυκνωτές ως αντικείμενα φόρτισης, βελτιώνοντας έτσι πολλά προβλήματα ηλιακής φόρτισης:
Γρήγορη φόρτιση,
Η διάρκεια ζωής είναι περισσότερο από 5 φορές μεγαλύτερη,
Το εύρος θερμοκρασίας φόρτισης είναι ευρύ,
Μειώστε την κατανάλωση ηλιακών κυψελών (μπορεί να φορτιστεί σε χαμηλή τάση)