Солнечная батарея представляет собой одну или несколько плоских панелей, на которых размещены солнечные модули, состоящие в свою очередь из ячеек – фотоэлементов. Такая модульная структура позволяет выбрать подходящие для конкретного случая параметры энергоснабжения, легко корректировать размеры батареи и осуществлять быструю замену сломавшихся элементов.

Принцип работы солнечных батарей

Работа солнечной батареи основана на фотогальваническом эффекте, открытом Александром Эдмондом Беккерелем в 1839 году. Он определил, что энергию солнца можно трансформировать в электричество посредством специальных материалов-полупроводников, названых в дальнейшем фотоэлементами. Такой способ получения электричества является самым эффективным, так как подразумевает одноступенчатый переход энергии, в отличие от методов, включающих этап термодинамического преобразования – например как в солнечных паровых машинах, где ток вырабатывается за счет расширения нагретого солнцем водяного пара, углекислого газа, или других похожих термопоглощающих веществ.

Строение фотоэлемента

Фотоэлемент состоит из двух слоев с различными типами проводимости и контактов для присоединения к внешней цепи.
Внешний слой, называют еще n (negative) слоем. Он характеризуется электронным типом проводимости, который осуществляется за счет движения свободных электронов, образованных в результате разрушения связей в атоме.

Внутренний, p (positive) слой, имеет дырочный тип проводимости. Он обусловлен наличием в атомах мест с недостающими электронами – «дырками». Эти «дырки» могут свободно перемещаться за счет последовательного перескакивания электронов ¬из атома в атом – на месте перепрыгнувшего электрона образуется дырка, на нее перескакивает электрон из соседнего атома, создавая следующую дырку и так далее.

На границе p и n слоев образуется р-n переход – часть электронов из n-слоя переходит в p-слой, соответственно, количество дырок в n-слое возрастает. Эта взаимная диффузия приводит к образованию контактной разности потенциалов и «запирающего слоя», который, препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу слоев.

Механизм действия

Когда фотон света попадает в n-слой, он поглощается электроном, энергия электрона увеличивается, и он может «перескочить» запирающий слой. В результате, n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Из-за этого, первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника снижается, появляется напряжение внешней цепи, начинает «течь» ток.

Сила тока в фотоэлементе изменяется пропорционально количеству захваченных фотонов. Данный показатель зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади, которую покрывает фотоэлемент, сроков эксплуатации и, конечно, КПД конструкции, которая к тому же зависит от температуры – при сильном нагревании проводимость фотоэлемента падает.

Материалы

Первый солнечный фотоэлемент был создан в 1883 Чарльзом Фриттсом из селена, покрытого золотом. Но такое сочетание материалов показало невысокие результаты – полупроводник преобразовывал в электричество меньше одного процента солнечного излучения.

Промышленное использование солнечной энергии стало возможным только в 1953 году, когда в лаборатории компании “Bell Telephone”, для обеспечения телефонной станции электричеством, был разработан более чувствительный фотоэлемент на основе кремния. Этот материал и сегодня остается основным на рынке производства фотоэлементов.

Несмотря на то, что кремний – второй по распространенности на Земле элемент и запасы его огромны, изделия из этого материала достаточно дорогие. Это связано с трудоемким процессом очистки элемента от примесей, и, как следствие, высокой ценой на чистый кремний. Потому, сейчас продолжается поиск новых более дешевых материалов, не уступающих по физическим характеристикам и качеству. Перспективными считаются фотоэлементы, изготовленные из соединений меди, индия, селена, галлия, кадмия.

Солнечные модули

Ячейки солнечной батареи (фотоэлементы), объединяют между собой и покрывают слоями защитных прозрачных материалов из стекла, пластмассы, различных типов пленок. Эти вспомогательные конструкции помогают защитить хрупкие устройства от повреждений и загрязнения.

Основной характеристикой солнечного модуля является пиковая мощность, измеряемая в Ваттах (Вт). Эта характеристика показывает мощность модуля в оптимальных условиях – при максимальном солнечном излучении 1 кВт/м2, самой эффективной температуре 25 оC и солнечном спектре на широте 45°(АМ1,5). Но в обычных условиях удается достичь этого показателя крайне редко – освещенность как правило ниже, а модуль нагревается во время работы в солнечный день намного выше указанной температуры – до 60-70 оC.

Благодаря модульности конструкций батареи, ее силу тока и мощность можно отрегулировать под конкретные условия окружающей среды, увеличивая или уменьшая количество модулей из панели.