Fotobuňka – Ruwiki: Internetová encyklopedie

Fotobuňka — elektronické zařízení, které přeměňuje energii fotonů na elektrickou energii. Dělí se na fotobuňky vakuové a polovodičové [1]. Činnost zařízení je založena na fotoelektronové emisi nebo vnitřním fotoelektrickém jevu [2]. První fotočlánek založený na vnějším fotoelektrickém jevu vytvořil Alexander Stoletov na konci XNUMX. století.

Polovlnná stimulační zařízení [ upravit | upravit kód]

Multikrystalický křemíkový solární článek

Energeticky nejúčinnějšími zařízeními pro přeměnu sluneční energie na elektrickou energii jsou polovodičové fotovoltaické konvertory (PVC), protože se jedná o přímý, jednostupňový přenos energie. Účinnost solárních článků vyráběných v průmyslovém měřítku je v průměru 16 %, přičemž nejlepší modely dosahují 32,5 % [3]. V laboratorních podmínkách již bylo dosaženo účinností 43,5 % [4], 44,4 % [5], 44,7 % [6].

Absence usměrňovacích diod a efektivních antén pro frekvence elektromagnetického záření odpovídající světlu zatím neumožňuje vytvoření fotoelektrických měničů, které využívají vlastnosti kvanta jako elektromagnetické vlny indukující proměnnou EMF v dipólové anténě, i když teoreticky je to možné. Od takových zařízení by se dalo očekávat nejen lepší účinnost, ale také nižší teplotní závislost a degradace v čase.

Fyzikální princip činnosti fotobuňky [ editovat | upravit kód]

Přeměna energie v solárních článcích je založena na fotoelektrickém jevu, ke kterému dochází v nehomogenních polovodičových strukturách při vystavení slunečnímu záření.

Heterogenity struktury solárního článku lze dosáhnout dopováním stejného polovodiče různými nečistotami (vznik pn přechodů) nebo spojením různých polovodičů s různou šířkou zakázaného pásu – energie odtržení elektronů od atomu (vznik heteropřechodů), nebo změnou chemického složení polovodiče, což vede ke vzniku šířky pásmových struktur stupňované šířky gradientu. Možné jsou také různé kombinace uvedených metod.

Účinnost konverze závisí na elektrofyzikálních charakteristikách nehomogenní polovodičové struktury a také na optických vlastnostech solárního článku, mezi nimiž hraje nejdůležitější roli fotovodivost. Je to způsobeno jevy vnitřního fotoelektrického jevu v polovodičích při jejich ozařování slunečním zářením.

Hlavní nevratné ztráty energie v solárních článcích jsou spojeny s:

• odraz slunečního záření od povrchu konvertoru,
• průchod části záření solárním článkem bez absorpce v něm,
• rozptyl přebytečné fotonové energie na tepelných vibracích mřížky,
• rekombinace výsledných foto-párů na površích a v objemu solárního článku,
• vnitřní odpor převodníku,
• a některé další fyzikální procesy.

Pro snížení všech typů energetických ztrát v solárních elektrárnách se vyvíjejí a úspěšně uplatňují různá opatření. Patří sem:

• použití polovodičů s zakázaným pásmem, který je optimální pro sluneční záření;
• cílené zlepšování vlastností polovodičové struktury jejím optimálním dopováním a vytvářením zabudovaných elektrických polí;
• přechod od homogenních k heterogenním polovodičovým strukturám s odstupňovanou mezerou;
• optimalizace konstrukčních parametrů solárních článků (hloubka pn přechodu, tloušťka základní vrstvy, frekvence kontaktní mřížky atd.);
• použití multifunkčních optických povlaků, které zajišťují osvícení, tepelnou regulaci a ochranu solárních článků před kosmickým zářením;
• vývoj solárních článků, které jsou transparentní v dlouhovlnné oblasti slunečního spektra za okrajem hlavního absorpčního pásma;
• vytvoření kaskádových solárních článků z polovodičů speciálně vybraných podle šířky zakázané zóny, umožňující konverzi v každé kaskádě záření, které prošlo předchozí kaskádou atd.;

Výrazného zvýšení účinnosti solárních článků bylo také dosaženo vytvořením konvertorů s oboustrannou citlivostí (až +80 % stávající účinnosti jedné strany), využitím luminiscenčních reemitačních struktur, Fresnelových čoček, předběžným rozkladem slunečního spektra na dvě a více spektrálních oblastí pomocí vícevrstvých filmových děličů paprsků (dichroických zrcadel) s následnou konverzí každé části slunečního spektra pomocí solárního článku.

Průmyslové fotobuňky [ upravit | upravit kód]

Solární elektrárny (SPP) mohou využívat různé typy solárních článků, ale ne všechny splňují soubor požadavků na tyto systémy:

• vysoká spolehlivost s dlouhou životností (až 25-30 let);
• vysoká dostupnost surovin a možnost organizace hromadné výroby;
• přijatelné z hlediska doby návratnosti nákladů na vytvoření konverzního systému;
• minimální spotřeba energie a hmoty spojená s řízením systému přeměny energie a přenosu (prostoru), včetně orientace a stabilizace stanice jako celku;
• snadnost údržby.

Některé perspektivní materiály je obtížné získat v množství potřebném pro vytvoření solárních elektráren kvůli omezeným přírodním zásobám surovin nebo složitosti jejich zpracování.

Vysoké produktivity lze dosáhnout pouze organizováním plně automatizované výroby solárních článků, například na bázi páskové technologie, a vytvořením rozvinuté sítě specializovaných podniků odpovídajícího profilu, což je ve skutečnosti celé průmyslové odvětví. Výroba fotočlánků a montáž solárních baterií na automatizovaných linkách zajistí mnohonásobné snížení ceny baterie.

Kromě toho se fotobuňky používají v ochranných zařízeních, v systémech řízení procesů, chemických analyzátorech, systémech řízení spalování paliva, systémech řízení teploty, pro kontrolu kvality sériově vyráběných produktů, pro měření osvětlení, v hladinoměrech, v počítacích zařízeních, pro synchronizaci, pro automatické otevírání dveří, v časových relé, v záznamových zařízeních [7].

Viz také [upravit | upravit kód]

• Organické polovodiče
• solární energie
• Solární baterie
• Solar Impulse (oficiální název HB-SIA) je evropský projekt na vytvoření letadla poháněného výhradně solárními panely.
• Roll technologie

Poznámky [upravit | upravit kód]

1. ↑ Fotobuňka // Velký encyklopedický slovník. 2000.
2. ↑ Fotobuňka / M. M. Koltun // Velká sovětská encyklopedie: [ve 30 svazcích] / kap. vyd. A. M. Prochorov. — 3. vyd. — M.: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
3. ↑Overclockers.ru: Němečtí vědci vytvořili nový rekord v účinnosti solárních baterií – 32,5 procenta(nespecifikováno) . Overclockers.ru. Datum přístupu: 5. ledna 2023.
4. ↑ „Solar Junction překonal koncentrovaný solární světový rekord se 43,5% účinností“ [1] Archivováno 21. února 2014 na Wayback Machine, 19. dubna 2011
5. ↑Sharp vyvíjí koncentrační solární článek s 44,4% účinností(nespecifikováno) . Datum přístupu: 30. března 2014.Archivováno z ↑(nespecifikováno) . Datum přístupu: 30. března 2014.Archivováno z originálu 30. března 2014.
6. ↑Léto W. Fotobuňky v průmyslu. — M. — L., Gosenergozdat, 1961. — 568 s.

Literatura [upravit | upravit kód]

• Léto W. Fotobuňky v průmyslu. — M. — L.: Gosenergoizdat, 1961. — 568 s. — 12 000 výtisků.
• Andreev V.M., Grilikhes V.A., Rumyantsev V.D.Fotoelektrická přeměna koncentrovaného slunečního záření. — L.: Science, 1989. — 310 s. — ISBN 5-02-024384-1 . Archivováno 4. března 2016 na Wayback Machine
• Pasynkov V.V., Chirkin L.K., Shinkov A.D. Polovodičová zařízení. — 4. vydání — M., 1987.
• Berkovský A. G., Gavanin V. A., Zaidel I. N. Vakuová fotoelektronická zařízení. — 2. vyd. — M., 1988.
• Marti A., Luque A. Fotovoltaika nové generace. — B&Ph.: Institute of Physics Publishing, 2004. — 344 s. — ISBN 0-75-030905-9 .

Odkazy na externí zdroje

Slovníky a encyklopedie

• Velká dánština
• Velká Katalánština
• Skvělý norský
• Big Russian (vědecký a vzdělávací portál)
• Britannica (online)

Historie vynálezu fotočlánku začíná objevem fotoelektrického jevu, který v roce 1887 provedl německý fyzik Heinrich Hertz. Zjistil, že když byly elektrody osvětleny ultrafialovým světlem, výboj mezi nimi probíhal rychleji. Tento objev však nebyl široce známý a byl na několik desetiletí zapomenut.

Další velký krok v historii fotočlánků přišel v roce 1905, kdy Albert Einstein publikoval svou teorii fotoelektrického jevu. Vysvětlil, že světlo se skládá z částic (fotonů) a že každý foton může vyrazit elektron z kovu. Tento objev se stal základem pro další vývoj fotobuněk.

První praktickou fotobuňku vytvořil v roce 1923 sovětský vědec Oleg Losev. Použil karbid křemíku jako polovodič a produkoval proud, když byl vystaven světlu. Jeho zařízení však mělo nízkou účinnost a nebylo široce používáno.

Dalším významným krokem ve vývoji solárních článků byl objev polovodičových materiálů v roce 1939. Japonský vědec Hideo Hosono objevil, že selen má fotovodivost, to znamená, že jeho vodivost se při osvětlení zvyšuje. Tento objev vytvořil základ pro vytvoření prvních fotočlánků na bázi selenu.

S rozvojem polovodičové technologie v 1950. letech 1960. století vznikly první křemíkové solární články, které měly vyšší účinnost a staly se základem pro vznik moderních solárních baterií. V XNUMX. letech XNUMX. století byly vyvinuty solární články na bázi arsenidu galia, které měly ještě vyšší účinnost.

Moderní solární články se nadále vyvíjejí pomocí nových materiálů a technologií. Například v posledních letech byly aktivně studovány solární články na bázi perovskitů, které mají vysokou účinnost a nízké výrobní náklady.

Typy fotobuněk

Existují různé typy solárních článků, z nichž každý má své vlastní vlastnosti a oblasti použití.

Silikonové solární články:

• Amorfní křemík (a-Si) – solární články na bázi amorfního křemíku jsou nejběžnější a dostupné na trhu. Jejich účinnost je asi 9-11%.
• monokrystalický křemík (mc-Si) – tyto prvky mají vyšší účinnost (15-25 %), ale jsou také dražší.
• Polykrystalický křemík (pc-Si) – takové solární články zaujímají ve svých charakteristikách mezipolohu mezi a-Si a mc-Si.

Tenkovrstvé solární články:

• CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) – tenké filmy selenidu mědi indium gallium na skle. Účinnost takových solárních článků může dosáhnout 20 %.
• CdTe (Cadmium Telluride) – fotočlánky na bázi teluridu kadmia. Mají účinnost až 18 %.

Organické solární články:

Organické solární články jsou založeny na použití organických materiálů, které jsou vysoce flexibilní a lze je aplikovat na různé povrchy. Patří sem:

• Organické tenkovrstvé (OPV) solární články mají účinnost až 10 %.
• Organicky integrované solární články (OPTI) jsou kombinací organických a anorganických materiálů. Účinnost dosahuje 15 %.

Perovskitové solární články:

• Perovskity jsou nové materiály, které vykazují vysokou účinnost přeměny sluneční energie. Mají účinnost cca 22-23%.

Klasifikace

Existuje mnoho typů solárních článků, které jsou klasifikovány podle různých vlastností.

Pracovní princip:

• Fotovoltaické články, které přeměňují světlo na elektřinu přímou přeměnou (např.
• Pyroelektrické prvky, které využívají změny elektrického pole vyplývající ze změny teploty.
• Termoelektrické prvky, ve kterých se elektrická energie vyrábí zahřátím jednoho z prvků a poté se používá k vytvoření napětí.

Účel:

• Solární články (fotovoltaika) pro použití v solárních bateriích.
• Optoelektronické prvky pro aplikace jako jsou senzory, detektory atd.

Typ konstrukce: Monokrystalické prvky, polykrystalické, amorfní.

Tvar položky: Ploché prvky, lineární prvky (např. světelné diody).

Stupeň koncentrace světla: Normální koncentrace světla, prvky pro koncentrované světlo (např. Fresnelovy čočky).

Velikost: Malé prvky pro přenosná zařízení, velké prvky pro stacionární instalace.

Účinnost: Prvky s vysokou účinností, prvky se střední účinností, prvky s nízkou účinností.

Mechanismus absorpce záření: Vnitřní fotoefekty (IP), difúze.

Typ připojení: Jednoprvkové, víceprvkové systémy.

Typ zdroje světla: Pro sluneční světlo, umělé světlo.

Toto není zdaleka úplný seznam klasifikací fotobuněk. V budoucnu se mohou objevit nové typy solárních článků založené na nových technologiích a materiálech.

Princip činnosti fotobuňky

Princip činnosti je založen na jevu fotoelektrického jevu – vyražení elektronů z látky pod vlivem světla.

Existuje několik typů solárních článků, které využívají různé fyzikální principy k přeměně světelné energie na elektřinu. Zde jsou hlavní typy solárních článků a jak fungují:

• Fotočlánky s vnějším fotoelektrickým jevem (solární články) – využívají jevu vnějšího fotoelektrického jevu, kdy dochází vlivem světla k vyražení elektronů z polovodičového materiálu. V důsledku toho se mezi oběma vrstvami polovodiče vytvoří potenciálový rozdíl, který vede ke vzniku elektrického proudu.
• Fotovoltaické články — fungují na principu fotovoltaického jevu, který spočívá ve vzniku rozdílu potenciálu na rozhraní dvou různých polovodičů vlivem světla.
• Termofotočlánky — přeměnit tepelnou energii světla na elektřinu prostřednictvím termoelektrického jevu. V tomto případě světlo zahřeje jeden z kontaktů prvku, což způsobí vznik rozdílu potenciálů.

• Fotočlánky založené na fotoodporovém efektu — využít změny odporu polovodičového materiálu vlivem světla k vytvoření elektrického proudu.
• Fotodiody — práce na základě vnitřního fotoelektrického jevu. Vlivem světla se v oblasti pn přechodu diody generují páry elektron-díra, což způsobuje vzhled elektrického proudu.
• Fototranzistory — jsou kombinací konvenčního tranzistoru a fotodiody. Při dopadu světla na fotodiodu se generují volné elektrony, které zvyšují kolektorový proud tranzistoru.

Konstrukce fotobuňky

Konstrukce fotobuňky zahrnuje následující hlavní prvky:

• Polovodičový materiál: Základem fotočlánku je polovodičový materiál, který může být krystalický nebo amorfní. Nejčastěji používanými materiály jsou křemík, germanium, arsenid gallia a další materiály.
• pn křižovatka: Polovodič je dopován příměsí, která vytváří buď vodivost typu p (s přebytkem děr) nebo typu n (s přebytkem elektronů). V důsledku toho se mezi těmito oblastmi vytvoří pn přechod, který je hlavním prvkem přeměňujícím světelnou energii na elektrický proud.
• Kontaktní systém: Fotočlánek má dva nebo více kontaktů na povrchu polovodičového materiálu, které poskytují možnost připojení k elektrickému obvodu. Jeden z kontaktů je obvykle označen jako „anoda“ a druhý jako „katoda“.

• Optický systém: Aby se světlo dostalo až k polovodičové vrstvě, může mít fotočlánek speciální optický systém sestávající z čoček, zrcadel, filtrů a dalších prvků, které umožňují směrování světelného toku na povrch fotočlánku.
• Bydlení: Fotočlánky mají obvykle pouzdro, které chrání polovodičový prvek před vnějšími vlivy a zajišťuje těsnost zařízení. V některých případech může být pouzdro průhledné, aby světlo proniklo k fotobuňce.
• Chladící systém: Při použití solárních článků v solárních panelech může být vyžadován chladicí systém, který zabrání přehřátí článků a zlepší jejich účinnost. Takové systémy mohou zahrnovat radiátory, tepelné trubky a ventilátory.

Konstrukce fotobuňky je tedy komplexní systém, ve kterém každý prvek hraje svou vlastní roli v procesu přeměny světelné energie na elektrický proud.

Charakteristika fotobuňky

Mezi hlavní vlastnosti solárních článků patří:

• Účinnost přeměna světelné energie na elektřinu. To je jeden z klíčových ukazatelů solárních článků. Účinnost se měří v procentech a udává, kolik sluneční energie se přemění na elektřinu. Typické hodnoty účinnosti pro křemíkové solární panely se pohybují od 15 % do 25 %, ale mohou dosáhnout až 30 %.
• Napájení. Je definováno jako množství elektřiny vyrobené fotobuňkou za jednotku času. Výkon se měří ve wattech (W). Účinnost a výkon solárních článků se může lišit v závislosti na jejich velikosti, typu a provozních podmínkách.
• Otevřený okruh napětí(VOC) a zkratový proud (ISC). Tyto dva parametry se měří v podmínkách bez zátěže a používají se k určení maximálního výkonu solárního článku. Napětí naprázdno je napětí, které se vyskytuje mezi dvěma kontakty fotobuňky, když není žádný proud. Zkratový proud je maximální proud, který může fotobuňka produkovat, když jsou její kontakty zkratovány.
• Maximální výkon (Pmax). Maximální výkon fotobuňky je definován jako součin napětí naprázdno a zkratového proudu. Tato hodnota určuje účinnost solárního článku a jeho schopnost vyrábět elektřinu.

• Spektrální citlivost. To je charakteristika fotobuňky, která určuje její odezvu na různé vlnové délky světla. Křemíkové solární články jsou nejcitlivější na světlo o vlnové délce asi 800 nm.
• Teplotní závislost. Účinnost solárních článků se může při vysokých teplotách snižovat, protože tepelné výkyvy mohou snížit účinnost separace elektronových děr. Pro boj s tímto efektem se používají různé technologie chlazení, jako je konvekční chlazení, tepelné trubice atd.
• Trvanlivost a stabilita. Solární články si musí udržet svou účinnost po dlouhou dobu, aby byly nákladově efektivní. Odolnost solárních článků je dána stálostí jejich charakteristik a schopností odolávat vlivům prostředí a různé zátěži.
• Náklady. Cena solárních článků závisí na mnoha faktorech, včetně materiálů používaných při výrobě, výrobních procesů a tržních podmínek. Celkově náklady na solární články nadále klesají s technologickým pokrokem a rostoucími objemy výroby.
• Velikosti a tvar. Solární články se dodávají v různých velikostech a tvarech, což umožňuje jejich použití v různých aplikacích, jako jsou střešní solární panely, přenosné solární panely atd.

Obecně platí, že vlastnosti solárních článků jsou dány jejich materiálem, konstrukcí, provozními podmínkami a dalšími faktory, což z nich dělá efektivní a spolehlivé zdroje obnovitelné energie.

Účinnost fotobuňky

Účinnost (koeficient výkonu) fotočlánku je poměr užitečné energie přijaté z fotočlánku k celkovému množství absorbované světelné energie. Mezi faktory, které ovlivňují účinnost solárních článků, patří:

• Materiál: Účinnost solárního článku závisí na použitém materiálu. Například křemíkové solární články mají účinnost asi 20 %, zatímco tenkovrstvé články z teluridu kadmia mohou dosáhnout účinnosti až 18 %.
• Optické vlastnosti: Optické vlastnosti fotobuňky, jako je absorpce, odraz a propustnost světla, také ovlivňují její účinnost. Zlepšení těchto vlastností může vést ke zvýšení účinnosti.
• Účinnost sběru fotonů: Určuje, kolik fotonů světla se přemění na elektrický náboj. Tento parametr závisí na konstrukci fotobuňky a typu použitého polovodiče.

• Rekombinace nosičů náboje: Rekombinace je proces, při kterém se elektrony a díry spojují za vzniku neutrálních částic. Zvýšení rychlosti rekombinace snižuje účinnost fotobuňky.
• Ztráty odporu: Ve fotobuňce jsou odpory, které vedou ke ztrátě energie. Snížením těchto ztrát lze zvýšit efektivitu.
• Teplota: Zvýšení teploty solárního článku může snížit jeho účinnost, protože teplo může způsobit vibrace polovodičových materiálů a zvýšit rekombinaci nosičů náboje.
• Osvětlení: Intenzita a spektrum světla také ovlivňují účinnost solárního článku. Solární články obecně fungují lépe na jasném slunci.

Aplikace fotobuněk

Fotobuňky mají širokou škálu aplikací, od solárních panelů po pohybová čidla a bezpečnostní systémy. Zde je několik příkladů jejich použití:

• Solární energie: Fotovoltaické články jsou hlavní součástí solárních panelů používaných k přeměně sluneční energie na elektřinu. Tyto panely se instalují na střechy domů, firem a dokonce i satelity pro výrobu elektřiny.

• Semafory a dopravní značky: Používají se k regulaci provozu na křižovatkách a přechodech pro chodce. Když světlo dopadne na fotobuňku, aktivuje semafor nebo značku, která změní barvu.
• Pohybové senzory: Používají se jako pohybové senzory k automatickému rozsvícení světel nebo otevření dveří. Mohou být instalovány v parcích, na veřejných místech a podnicích.

• Bezpečnostní systémy: Fotobuňky se také používají v bezpečnostních systémech k detekci pohybu nebo vniknutí do prostoru. Mohou pracovat v tandemu s videokamerami nebo alarmy.
• Průmysl: Fotobuňky se používají v různých průmyslových procesech, jako je teplota, vlhkost a další kontrolní parametry.
• Medicína: V lékařství se fotobuňky používají ke sledování hladiny kyslíku v krvi a také k diagnostice kožních a očních onemocnění.
• Věda a vzdělání: Fotobuňky pomáhají provádět vědecké experimenty a výzkum v oblasti optiky, elektroniky a fyziky. Používají se také k tomu, aby se studenti naučili základy fotovoltaického jevu a fungování solárních panelů.
• Průzkum vesmíru: Při průzkumu vesmíru se solární články používají ke sběru sluneční energie a napájení kosmických lodí na oběžné dráze.

• Domácí spotřebiče: Fotobuňky v domácích spotřebičích se používají k ovládání osvětlení, zapínání a vypínání zařízení a v bezpečnostních systémech.

Obecně se solární články používají v mnoha oblastech našeho života, od každodenního života až po průzkum vesmíru. Jejich použití umožňuje šetřit energii, zvýšit bezpečnost a zlepšit kvalitu života.