עקרון הפעולה של תאים סולאריים. תכנית, תיאור

אינציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל
ספרייה חינם / ערכות של מכשירים רדיו-אלקטרוניים וחשמליים

עקרון הפעולה של תאים סולאריים. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

ספריה טכנית בחינם

אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל / מקורות אנרגיה חלופיים

למרות שרבים מאיתנו לא מודעים לכך, שיטת הפקת החשמל מאור השמש ידועה כבר למעלה מ-100 שנה. תופעת הפוטואלקטריות נצפתה לראשונה על ידי אדמונד בקוורל בשנת 1839. באחד מהניסויים הרבים שלו בחשמל, הוא הניח שתי לוחות מתכת בתמיסה מוליכה והאיר את המתקן באור שמש. לתדהמתו הגדולה, הוא גילה שזה יוצר כוח אלקטרו-מוטיבי (EMF).

גילוי מקרי זה נעלם מעיניו עד 1873, אז גילה ווילובי סמית' אפקט דומה כשהקרין צלחת סלניום באור. ולמרות שהניסויים הראשונים שלו לא היו מושלמים, הם סימנו את תחילת ההיסטוריה של תאים סולריים מוליכים למחצה.

בחיפוש אחר מקורות אנרגיה חדשים, המציאה מעבדות בל את התא הסולארי מסיליקון, שהפך למבשרם של הממירים הפוטו-וולטאיים המודרניים.

רק בתחילת שנות ה-50. התא הסולארי הגיע לדרגת שלמות גבוהה יחסית.

יסודות תורת המוליכים למחצה

החומר המוליך למחצה העיקרי באלקטרוניקה המודרנית הוא סיליקון. רוב התאים הסולאריים המודרניים עשויים גם מסיליקון.

מוליך למחצה הוא חומר שאינו מוליך טוב ואינו מבודד טוב. לדוגמה, נחושת היא מוליך מצוין; היקף היישום שלה רחב מאוד. בכל מקום בו יש צורך להעביר אנרגיה חשמלית ממקום אחד למקום אחר, נחושת היא עוזר הכרחי. אותו הדבר ניתן לומר על אלומיניום.

מצד שני, לזכוכית מוליכות חשמלית זניחה, אבל היא דיאלקטרי טוב. אם אתה צריך לחסום את נתיב הזרם החשמלי, מבודד זכוכית יפתור בהצלחה את הבעיה הזו. אגב, מבודדי המוט בטלפונים הראשונים היו עשויים מזכוכית.

עקרון העבודה של תאים סולאריים
איור 1

המוליכות החשמלית של מוליכים למחצה נמצאת בין שני המקרים המגבילים הללו. ביישומים מסוימים, מוליכים למחצה יכולים לשמש כמוליכים, באחרים - כמבודדים. עם זאת, סיליקון טהור עדיין קרוב יותר למבודדים ומוליך חשמל בצורה גרועה מאוד. הסיבה לכך מוסברת על ידי המוזרות של מבנה הגביש שלו.

אטומי סיליקון מחוברים זה לזה באמצעות מה שנקרא אלקטרוני ערכיות. עדיף לחשוב על הקשרים האלה כעל "ידיים". לכל אטום סיליקון יש ארבע "זרועות".

אטומי סיליקון הם מאוד "חברותיים"; הם לא אוהבים בדידות. לכן, הם מנסים להחזיק ידיים עם האטומים סביבם.

מכיוון שלכל אטום יש ארבע "ידיים" שבאמצעותן הוא אוחז ב"ידיים" של שכניו, יחד הם יוצרים את הסריג המוצג באיור. 1. כתוצאה מכך, כל ארבע ה"ידיים" של האטום תפוסות. כתוצאה מכך, במבנה כזה אין אלקטרונים חופשיים ("ידיים"), וללא אלקטרונים חופשיים, זרם חשמלי בקושי אפשרי.

לצורכי האלקטרוניקה, מצב עניינים זה אינו מקובל. כדי שזרם יזרום, הגביש חייב להיות בעל אלקטרונים חופשיים. זה מושג על ידי החדרת זיהומים לחומר המוצא. תהליך זה נקרא סגסוגת.

סימום מוליכים למחצה

נניח שלקחנו והחלפנו במבנה הגבישי שלנו אטום סיליקון אחד באטום בעל ערכיות של חמש (במילים אחרות, בעל חמש "זרועות". למשל, אטום כזה הוא אטום בורון. מוצאים את עצמנו בין "שכנינו החדשים" ולוקח איתם "בידיים", אטום זה יגלה במהרה ש"יד" אחת חופשית. (הכותב טועה - אטומי זרחן, בעלי ערכיות של חמש, משמשים כתורם (מקור לאלקטרונים חופשיים). ), וכמקבלים, המאפשרים את הכנסת גביש הסיליקון יש מטענים חיוביים (חורים), נעשה שימוש באטומי בורון, המאופיינים בערכיות של שלושה. - אד.)

עקרון העבודה של תאים סולאריים
איור 2

ה"יד" הזו, שאינה מחוברת לאף אחד, היא לא יותר מאלקטרון חופשי. מכיוון שאטום הבור פחות או יותר מרוצה מכך שארבע מחמש ה"זרועות" שלו - אלקטרונים - תפוסות, הוא אינו מודאג במיוחד מגורלו של החמישי. בהפרעה הקלה ביותר, האלקטרון "יתנתק".

זו המהות של סימום. ככל שנכניס יותר זיהומים לתוך הגביש, כך יהיו לו יותר אלקטרונים חופשיים והסיליקון יוביל זרם חשמלי טוב יותר.

בעת שימוש בסמים, התהליך ההפוך יכול להתרחש גם. אם אטום הסיליקון יוחלף באטום תלת ערכי, כמו זרחן, יופיע מה שנקרא חור במבנה שלנו. כתוצאה מכך, יש חוסר אלקטרונים בגביש והוא יקבל אותם בקלות לתוך הסריג שלו.

בשל העובדה שאטומים במבנה כזה מנסים ללכוד אלקטרונים, החורים שנוצרו ינועו סביב המבנה חסרי אלקטרונים. במציאות, אלקטרונים נעים מחור לחור וכך מוליכים זרם חשמלי.

יצירת תא סולארי

עכשיו אתה עלול לחשוב שאם אתה לוקח גביש סיליקון מסומם עם מחסור באלקטרונים וגביש סיליקון מסומם עם עודף של אלקטרונים ומחבר אותם יחד, משהו צריך לקרות.

עקרון העבודה של תאים סולאריים
איור 3

עם מגע מכני קרוב של שני גבישים, האטומים באזורים הקרובים לפני השטח מתקרבים כל כך עד שאטומי זרחן מוותרים בקלות על האלקטרונים הנוספים שלהם, ואטומי בורון מקבלים אותם בקלות.

כתוצאה מכך, האיזון החשמלי של הגביש משוחזר. אבל זכרו שלגבישים יש מבנה קשיח מאוד, ולכן החלפה תתרחש רק בין אטומים שנמצאים במגע הכי קרוב זה עם זה. עובי האזור של מגע זה אינו עולה על גודלם של מספר אטומים, ונפח המוליך למחצה נותר ללא שינוי.

כמובן, השגת האפקט הזה דורשת קצת יותר מאשר חיבור של שתי חתיכות סיליקון יחד. לרוב, הסיליקון מסומם באמצעות תהליך דיפוזיה בטמפרטורה גבוהה. כתוצאה מכך, בגבול בין אזורים בעומק המוליך למחצה המסומם בזיהומים שונים, נוצר אזור ממשק דק במיוחד הנקרא צומת pn.

באזור זה מתרחשת הפיכת האור לחשמל.

כאשר חלקיק אור, הנקרא פוטון, פוגע בצומת pn עם מספיק אנרגיה, הוא דופק אלקטרון ומשאיר אותו חופשי לנוע. האנרגיה של הפוטון מועברת אל האלקטרון. במקרה זה, נוצר חור בסריג הגביש. יש לזכור שאזור המעבר נוטה לשמור על שיווי משקל. תהליך זה, הנקרא פוטויוניזציה, מתרחש לא רק באזור צומת pn, אלא גם בכל חלק אחר של הגביש שאליו חודר אור השמש, בעל אנרגיה גבוהה מספיק הדרושה ליצירת נושאי מטען חופשיים - אלקטרונים וחורים.

מכיוון שיש מחסור בחורים בחומר מסוג n ומחסור באלקטרונים בחומר מסוג p, החור והאלקטרון נפרדים ונודדים לכיוונים שונים.

אבל עכשיו האיזון נשבר. אלקטרון שקיבל את האנרגיה של פוטון שואף להתחבר מחדש עם האנטיפוד (חור) שלו ומוכן לבזבז את האנרגיה שלו על זה. למרבה הצער, צומת pn מייצג מחסום פוטנציאלי שהאלקטרון לא יכול להתגבר עליו.

עם זאת, אם נחבר אזורים עם צירים מוליכים מסוג p ו-n זה לזה עם מוליך, אזי המכשול הזה יתגבר בהצלחה והאלקטרון "יעשה את דרכו" אל החור שלו דרך "הדלת האחורית". במקרה זה, האלקטרון מוציא את האנרגיה שלו לאורך הדרך, בה אנו משתמשים.

מאפייני התא הסולארי

צומת p-n מייצג מחסום מרשים לתנועת אלקטרונים. אבל אי אפשר לקרוא לזה בלתי עביר. האנרגיה שאלקטרון מקבל מפוטון בדרך כלל לא מספיקה לו כדי להתגבר על המחסום הזה ולהתחבר עם חור, אבל זה לא תמיד המקרה.

עקרון העבודה של תאים סולאריים
איור 4: 1 - רשת איסוף זרם עליונה; 2 - שכבת דיפוזיה מסוג n; 3 - צומת n-p, 4 שכבת בסיס מסוג p; 5 - מגע תחתון.

גובה המחסום הפוטנציאלי של צומת pn הוא כ-600 mV (0,6 V). אלקטרונים בעלי אנרגיה של יותר מ-600 mV יכולים "לעלות" לקיר הזה ולהיספג. לכן, המתח המרבי שתא סולארי יכול לפתח הוא 600 mV. עם זאת, הערך בפועל תלוי בסוג החומר המוליך למחצה ובעיצוב התא הסולארי.

עקרון העבודה של תאים סולאריים
איור 5

חיבור עומס לתא סולארי מפחית את האנרגיה של חלק מהאלקטרונים, כולל אלה האנרגטיים יותר. כתוצאה מכך מצטמצמים המתח הכולל של התא הסולארי ומספר האלקטרונים המסוגלים להתגבר על המחסום של צומת pn.

ככל שהתנגדות העומס תגדל, יותר ויותר אלקטרונים "יישאבו החוצה" דרכו, והמתח יקטן עוד יותר. עם זאת, בשלב מסוים קורה דבר מוזר. ב-450 mV (0,45 V), הזרם (זרימת האלקטרונים) מפסיק לעלות למרות שהמתח ממשיך לרדת. מגיעים ל"רמה" נוכחית.

תופעה זו נובעת ממספר סופי של פוטונים המתרחשים בצומת pn. ידוע שככל שיותר פוטונים מגיעים לצומת pn, משתחררים יותר אלקטרונים. יותר פוטונים - יותר עדכני.

עם זאת, מגיע רגע שבו ממש נעשה שימוש בכל פוטון הנכנס לצומת p-n ומשתמשים במספר האלקטרונים החופשיים, ולכן הזרם אינו גדל יותר. זה תואם את המראה של "רמה" במאפיין התא הסולארי.

כמובן שמספר האלקטרונים החופשיים תלוי גם בשטח הפנים ובעוצמת האור. ברור שככל ששטח היסוד גדל, יותר פוטונים נלכדים והזרם גדל. באופן דומה, ככל שעוצמת האור עולה, ריכוז הפוטונים באזור נתון עולה, מה שגם מגדיל את הזרם.

יעילות תא סולארי

בדרך כלל, העוצמה הממוצעת של אור השמש המגיעה לפני כדור הארץ היא 100 mW/cm2. במילים אחרות, תא סולארי בגודל 10x10 סמ"ר אמור לייצר 2 וואט של הספק.

למרבה הצער, אף תא סולארי לא יכול או אפילו יפיק כוח כזה: תמיד יהיו הפסדים. היעילות (היעילות) הגבוהה ביותר שהושגה עד כה (וגם אז עם תאי צילום מדורגים במעבדת ניסוי) היא כ-30%. היעילות של תא סולארי סיליקון רגיל נעה בין 10-13%. אלמנט בשטח של 100 סמ"ר יכול לייצר כ-2 W של כוח.

כמובן שיעילותו של תא סולארי תלויה בגורמים רבים, ביניהם המשמעותי ביותר הוא השינוי בטמפרטורת הסביבה. ככל שהטמפרטורה עולה, סריג הגביש מתרגש והאטומים שלו רוטטים בעוצמה רבה יותר. זה בתורו מוביל לעלייה ברמת האנרגיה של אלקטרונים בתוך המבנה. עם הזמן, כאשר רמת האנרגיה של אלקטרונים עולה כל כך עד שרובם מסוגלים להתגבר על המחסום הפוטנציאלי של צומת pn, הרקומבינציה במוליך למחצה עולה בחדות. זה מביא לכך שפחות אלקטרונים מגיעים לקולטי הרשת והזרם החשמלי לעומס מופחת. מצד שני, טמפרטורה נמוכה למעשה משפרת את האפקט הפוטואלקטרי.

הסיבה העיקרית לירידה ביעילות של תאים סולאריים עם עליית הטמפרטורה היא הירידה במחסום הפוטנציאלי של צומת pn, מה שמוביל לירידה במתח שנוצר מהאלמנט.

מחבר: ביירס ט.

ראה מאמרים אחרים סעיף מקורות אנרגיה חלופיים.

תקרא ותכתוב שימושי הערות על מאמר זה.

<< חזרה

חדשות אחרונות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה:

עור מלאכותי לחיקוי מגע 15.04.2024

בעולם טכנולוגי מודרני בו המרחק הופך להיות נפוץ יותר ויותר, חשוב לשמור על קשר ותחושת קרבה. ההתפתחויות האחרונות בעור מלאכותי על ידי מדענים גרמנים מאוניברסיטת Saarland מייצגים עידן חדש באינטראקציות וירטואליות. חוקרים גרמנים מאוניברסיטת Saarland פיתחו סרטים דקים במיוחד שיכולים להעביר את תחושת המגע למרחקים. טכנולוגיה חדשנית זו מספקת הזדמנויות חדשות לתקשורת וירטואלית, במיוחד עבור אלה שמוצאים את עצמם רחוקים מיקיריהם. הסרטים הדקים במיוחד שפיתחו החוקרים, בעובי של 50 מיקרומטר בלבד, ניתנים לשילוב בטקסטיל וללבוש כמו עור שני. סרטים אלה פועלים כחיישנים המזהים אותות מישוש מאמא או אבא, וכמפעילים המשדרים את התנועות הללו לתינוק. הורים הנוגעים בבד מפעילים חיישנים המגיבים ללחץ ומעוותים את הסרט הדק במיוחד. זֶה ... >>

פסולת חתולים של Petgugu Global 15.04.2024

טיפול בחיות מחמד יכול להיות לעתים קרובות אתגר, במיוחד כשמדובר בשמירה על ניקיון הבית שלך. הוצג פתרון מעניין חדש של הסטארטאפ Petgugu Global, שיקל על בעלי החתולים ויעזור להם לשמור על ביתם נקי ומסודר בצורה מושלמת. הסטארט-אפ Petgugu Global חשפה אסלת חתולים ייחודית שיכולה לשטוף צואה אוטומטית, ולשמור על הבית שלכם נקי ורענן. מכשיר חדשני זה מצויד בחיישנים חכמים שונים המנטרים את פעילות האסלה של חיית המחמד שלכם ופועלים לניקוי אוטומטי לאחר השימוש. המכשיר מתחבר למערכת הביוב ומבטיח פינוי פסולת יעיל ללא צורך בהתערבות של הבעלים. בנוסף, לאסלה קיבולת אחסון גדולה הניתנת לשטיפה, מה שהופך אותה לאידיאלית עבור משקי בית מרובי חתולים. קערת המלטה לחתולים של Petgugu מיועדת לשימוש עם המלטה מסיסת במים ומציעה מגוון זרמים נוספים ... >>

האטרקטיביות של גברים אכפתיים 14.04.2024

הסטריאוטיפ שנשים מעדיפות "בנים רעים" כבר מזמן נפוץ. עם זאת, מחקר עדכני שנערך על ידי מדענים בריטים מאוניברסיטת מונאש מציע נקודת מבט חדשה בנושא זה. הם בדקו כיצד נשים הגיבו לאחריות הרגשית של גברים ולנכונותם לעזור לאחרים. ממצאי המחקר עשויים לשנות את ההבנה שלנו לגבי מה הופך גברים לאטרקטיביים לנשים. מחקר שנערך על ידי מדענים מאוניברסיטת מונאש מוביל לממצאים חדשים לגבי האטרקטיביות של גברים לנשים. בניסוי הראו לנשים תצלומים של גברים עם סיפורים קצרים על התנהגותם במצבים שונים, כולל תגובתם למפגש עם חסר בית. חלק מהגברים התעלמו מההומלס, בעוד שאחרים עזרו לו, כמו לקנות לו אוכל. מחקר מצא שגברים שהפגינו אמפתיה וטוב לב היו מושכים יותר לנשים בהשוואה לגברים שהפגינו אמפתיה וטוב לב. ... >>

חדשות אקראיות מהארכיון

מקרן DuraCore ProScene לטווח קצר 13.02.2021

חברת Optoma Corporation הטייוואנית הציגה רשמית את מקרן הזרקה הקצרה הראשונה בעולם בבהירות של 7000 לומן - דגם DuraCore ProScene. החידוש מסוגל להפיק תמונה באלכסון של עד 300 אינץ' (7,62 מטר) ורזולוציית WUXGA של 1920 x 1200 פיקסלים. אבל יש גם תמיכה בתוכן 4K ברזולוציה של 3840 x 2160 פיקסלים.

יתרה מכך, התמונה יכולה להיווצר ממרחק מינימלי מהמסך. משקל החידוש הוא 12,7 ק"ג, מה שנשמע הרבה, אבל למעשה קל פי שניים בערך מדגמים דומים. יחס הניגודיות הוא 1000000:1. קיימת תמיכה ב-HDR High Dynamic Range. העדשה של החידוש קבועה, אך ניתנת אפשרות של החלפת העדשה. ההגדלה המקסימלית היא פי 1,26.

קלט/פלט HDBaseT, שלוש יציאות HDMI, VGA, LAN וקלט/פלט 3D Sync מסופקים. כמו כן, בבית המקרן מתאימים שני רמקולים בהספק של 10 וואט כל אחד.

מחיר ה-DuraCore ProScene הוא 6000 דולר.

עוד חדשות מעניינות:

▪ HP ופורמולה 1

▪ הלייזר ייקח את הטיל מהמטרה

▪ מקרן נייד LG PF1000U

▪ משפחת PIC32 עם ביצועים גבוהים עם זיכרון גדול

▪ אלקטרוניקה צבאית עם סימון DNA

עדכון חדשות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה

חומרים מעניינים של הספרייה הטכנית החופשית:

▪ קטע באתר Art of Audio. מבחר מאמרים

▪ מאמר איך לחמם את הבית עם קומקום רגיל. טיפים למאסטר הבית

▪ מאמר מהו הטחול? תשובה מפורטת

▪ מאמר משחיז סכינים. הוראה סטנדרטית בנושא הגנת העבודה

▪ מאמר יחידת כוח עם מנוע סטירלינג בטמפרטורה נמוכה וצינור מערבולת. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

▪ מאמר ספק כוח ל-ROLL, 220/0-50 וולט 5 אמפר. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

השאר את תגובתך למאמר זה:

כל השפות של דף זה

בית | הספרייה | מאמרים | <font><font>מפת אתר</font></font> | ביקורות על האתר