Półprzewodnikowe przetwornice energii fotowoltaicznej (fotokomórki)
Fotokomórki to urządzenia elektroniczne przeznaczone do zamiany energii fotonów na energię prądu elektrycznego.
Historycznie wynaleziono pierwszy prototyp nowoczesnej fotokomórki Aleksander G. Stoletow pod koniec XIX wieku. Tworzy urządzenie, które działa na zasadzie zewnętrznego efektu fotoelektrycznego. Pierwsza eksperymentalna instalacja składała się z pary równoległych płaskich arkuszy metalu, z których jeden był wykonany z siatki przepuszczającej światło, a drugi był lity.
Do arkuszy przykładano stałe napięcie, które można było regulować w zakresie od 0 do 250 woltów. Biegun dodatni źródła napięcia podłączono do elektrody siatki, a biegun ujemny do ciała stałego. W schemacie uwzględniono również czuły galwanometr.
Kiedy lity arkusz został oświetlony światłem z łuku elektrycznego, igła galwanometru odkształcony, co wskazuje, że w obwodzie generowany jest prąd stały, mimo że pomiędzy dyskami znajduje się powietrze.W eksperymencie naukowiec odkrył, że wielkość „fotoprądu” zależy zarówno od przyłożonego napięcia, jak i od natężenia światła.
Komplikując instalację, Stoletov umieszcza elektrody w cylindrze, z którego powietrze jest usuwane, a światło ultrafioletowe jest doprowadzane do czułej elektrody przez okienko kwarcowe. Było więc otwarte efekt zdjęcia.
Dziś, w oparciu o ten efekt, to działa przetwornice fotowoltaiczne… Reagują na promieniowanie elektromagnetyczne padające na powierzchnię elementu i przetwarzają je na napięcie wyjściowe. Przykładem takiego konwertera jest Ogniwo słoneczne… Tę samą zasadę stosuje m.in czujniki światłoczułe.
Typowa fotokomórka składa się z warstwy materiału światłoczułego o wysokiej rezystancji umieszczonej pomiędzy dwiema przewodzącymi elektrodami. Jako materiał fotowoltaiczny do ogniw słonecznych jest powszechnie stosowany półprzewodnikowy, który przy pełnym oświetleniu jest w stanie dać 0,5 wolta na wyjściu.
Takie elementy są najbardziej wydajne z punktu widzenia generowanej energii, ponieważ umożliwiają bezpośredni jednoetapowy transfer energii fotonu — w prądzie elektrycznym... W normalnych warunkach sprawność na poziomie 28% jest normą dla takich elementów.
Tutaj występuje intensywny efekt fotoelektryczny z powodu niejednorodności struktury półprzewodnikowej materiału roboczego.Tę niejednorodność uzyskuje się albo przez domieszkowanie użytego materiału półprzewodnikowego różnymi zanieczyszczeniami, tworząc w ten sposób złącze pn, albo przez połączenie półprzewodników z różnymi rozmiarami szczelin (energie, przy których elektrony opuszczają swoje atomy) - w ten sposób uzyskuje się heterozłącze, lub przez wybór takiego związku chemicznego skład półprzewodnika, w którym pojawia się gradient pasma wzbronionego — struktura ze stopniowanymi przerwami. W rezultacie sprawność danego elementu zależy od charakterystyki niejednorodności uzyskanej wewnątrz danej struktury półprzewodnikowej oraz fotoprzewodnictwa.
Aby ograniczyć straty w ogniwie fotowoltaicznym, przy ich produkcji stosuje się szereg przepisów. Po pierwsze stosuje się półprzewodniki, których pasmo wzbronione jest optymalne właśnie dla światła słonecznego, np. związki arsenku krzemu i galu, po drugie, właściwości struktury poprawia się poprzez optymalne domieszkowanie. Preferowane są struktury heterogeniczne i stopniowane. Dobierana jest optymalna grubość warstwy, głębokość połączenia p-n oraz najlepsze parametry siatki stykowej.
Tworzone są również elementy kaskadowe, w których pracuje kilka półprzewodników o różnych pasmach częstotliwości, dzięki czemu po przejściu przez jedną kaskadę światło wpada do następnej itd. Obiecująco wygląda pomysł rozłożenia widma słonecznego, tak aby każdy z jego regiony są przekształcane z oddzielnej sekcji fotokomórki.
Obecnie na rynku dostępne są trzy główne rodzaje ogniw fotowoltaicznych: monokrystaliczne krzemowe, polikrystaliczne krzemowe i cienkowarstwowe.Cienkie folie są uważane za najbardziej obiecujące, ponieważ są wrażliwe nawet na światło rozproszone, można je umieszczać na zakrzywionych powierzchniach, nie są tak kruche jak krzem i są skuteczne nawet w wysokich temperaturach roboczych.
Zobacz też: Sprawność ogniw i modułów fotowoltaicznych