Солнечная энергия уже покрывает более 50% энергетических затрат Германии. Очевидно, что будущее энергетики – за солнечными батареями. Каковы же основные принципы их работы?
Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.
Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?
Основные принципы
Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.
Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.
Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.
Кремниевые полупроводники
Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.
Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.
Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.
У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.
Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.
Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.
Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.
Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).
Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».
Устройство солнечной батареи
Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.
Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.
Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.
Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.
К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.
Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.