Что такое фотоэлектрический эффект?

Что такое фотоэлектрический эффект?

Определение — фотоэлектрический  или фотогальванический эффект, наглядно демонстрирует фотоэлектрическая ячейка. Полупроводник такого типа используется в конструкции солнечной панели, где преобразует свет солнца в электрическую энергию. Отсюда уже можно сделать вывод: определение фотоэлектрический эффект — это способность полупроводника генерировать электрический ток под воздействием света. Величина энергии, индуцируемой фотоэлектрической ячейкой, напрямую зависит от интенсивности света.

Принцип фотогальванической ячейки

Электроны полупроводникового материала фотогальванической ячейки объединяются ковалентной связью. Электромагнитное излучение, в свою очередь, формируется посредством малых источников энергии, которые носят название — фотоны.

Воздействие фотонов на полупроводниковый материал вызывает активацию электронов. Энергию, образованную активными электронами, называют фотоэлектронной.

Само же явление эмиссии электронов – это и есть фотоэлектрический эффект. Очевидно, что эффективность работы фотогальванической ячейки находится в прямой зависимости от фотоэффекта.

Создание фотогальванической ячейки

Первые фотогальванические (фотоэлектрические) ячейки (PV-Cell) создавались на основе кремния, объединенного (легированного) с другими элементами, влияющими на поведение электронов или дырок (отсутствие электронов внутри атомов).

Фотоэлектрическая ячейка - структура
Структура фото-гальваники элемента: 1 — полупроводник P-типа; 2 — полупроводник N-типа; 3 — физическая граница P-N перехода; 4 — энергетическая нагрузка; 5 — спектр светового излучения

В последующем были исследованы и стали применяться другие материалы:

  • диселенид меди (CIS),
  • теллурид кадмия (CdTe),
  • арсенид галлия (GaAs).

Существуют два основных типа полупроводниковых материалов, характеризуемых как положительный (P-тип) и отрицательный (N-тип).

Структура фотогальванической ячейки содержит тонкие полоски этих материалов, объединённых вместе и разделённых физической границей (P-N-переходом).

Система сконструирована таким образом, чтобы соединение полупроводников оставалось открытым для получения эффекта от воздействия видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения.

Когда любой из отмеченных видов излучения попадает на соединение P-N, образуется эффект разности напряжений между материалами типа P и N. На электродах, подключенных к этим полупроводниковым слоям, появляется электрический ток.

Как составляется солнечная батарея?

Значения выходного напряжения и тока, полученные от одного элемента фотоэлектрической ячейки, крайне малы. Величина выходного напряжения составляет примерно 0,6В, а тока на уровне — 0,8 мА.

Солнечная батарея из ячеек
Батарея, собранная из отдельных фото-элементов: 1 — отдельно взятая фотоэлектрическая ячейка; 2 — блок из нескольких ячеек; 3 — батарея из блоков; 4,5 — энергетические терминалы

Чтобы увеличить эффект, используют различные комбинации ячеек. Существуют три возможных способа объединения фотоэлементов:

  1. Последовательное.
  2. Параллельное.
  3. Комбинированное (последовательно-параллельное).

Когда более двух фотоэлементов соединяются последовательно один с другим, выходной ток остается неизменным, но напряжение увеличивается по числу ячеек.

При параллельной комбинации эффект обратный, когда напряжение остаётся неизменным, но величина тока увеличивается по числу параллелей.

Последовательно-параллельная комбинация приводит к эффекту одновременного увеличения напряжения и тока. Поэтому вполне логичным видится выбор, когда солнечные панели изготавливаются с использованием именно такой комбинации.

Фотоэлектрический эффект с научной точки зрения

Фото-электричество по праву считается наукой, направленной на изучение формы использования солнечной энергии. Это своего рода наука преобразования солнечного света непосредственно в электричество.

Фото-электричество научными исследованиями
Научный прототип: 1 — антибликовое покрытие; 2 — энергия света; 3 — дырки; 4 — электроны; 5 — проводник N-типа; 6 — проводник P-типа; 7, 8 — никель-серебряные терминалы; 9 — нагрузка

Эффект фото-электричества впервые удалось получить в 1839 году. Между тем лишь в 1954 году научному миру представилась возможность точного определения принципа возникновения эффекта.

Всевозможные космические программы сопровождались технологией фото-электричества. Именно эта система виделась лучшим источником энергии для питания искусственных спутников Земли.

В первую очередь благодаря космической отрасли индустрия фото-электричества получила успешное развитие. На текущий момент фотоэлектрический эффект удачно используется:

  • для питания электроники,
  • для электрификации автомобилей,
  • для энергоснабжения жилых домов и коммерческих зданий,
  • в качестве дополнения электрических сетей.

В связи с высокой эффективностью, снижением стоимости и повышенным экологическим фактором, несколько последних лет отмечается резкий рост интереса к фотоэлектрическим солнечным установкам.

Крупная фотоэлектрическая система

Крупная мощная фотоэлектрическая система выстраивается в виде солнечных панелей, нацеленных на объёмный захват фотонов света.

Промышленные солнечные панели имеют множество фотоэлектрических полупроводниковых элементов. Панель оснащается антибликовым покрытием, чем обеспечивается максимально возможный эффект захвата фотонов.

Индустриальные солнечные установки
Один из ставших уже многочисленными примеров индустриальной системы производства альтернативной энергии при помощи фотоэлектрического эффекта. Площади покрытия впечатляют

Генерируемый панелями постоянный электрический ток через проводную систему передаётся либо на аккумуляторную станцию-накопитель, либо на инвертор.

При помощи инвертора постоянный ток преобразуется в энергию переменного тока. Как правило, именно этот вид электричества чаще всего используется в народном хозяйстве.

Как устанавливаются солнечные батареи?

Число и тип используемых солнечных панелей – эти параметры зависят от требуемого результирующего напряжения и тока, которые нужно получить от солнечной батареи.

Например, солнечная панель с выходным напряжением 12 вольт может содержать от 36 отдельных фотоэлектрических ячеек.

Под установку системы с фотоэлектрическим эффектом применяется один из трёх видов панелей:

  1. Классические.
  2. Тонкоплёночные.
  3. Концентрированно-массивные.

Классика считается более эффективной в плане энергетики, но этому виду фотоэлектрических панелей характерны тяжёлый вес и крупные габариты. Поэтому классический вариант обычно применяется в крупных промышленно-хозяйственных проектах.

Тонкоплёночные панели – традиционный выбор для изготовления домашней установки альтернативной энергетики. Эффективность генерации энергии для этого вида панелей примерно вдвое ниже классики. Однако конструкция также примерно вдвое легче и по габаритам имеет вдвое меньшую массу.

Концентрированно-массивные панели являются новым технологичным продуктом. Конструкция отличается внедрением линзы и зеркал, предназначенных для максимальной концентрации света солнца на батарее.

Концентрированно-массивные панели считаются наиболее эффективными, но пригодны для использования только в районах активного излучения.

Схема контроллера солнечной установки
Эта схема универсального контроллера на чипе LT8490 с модулем отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracker): 1 — батарея; 2 — АКБ; 3 — нагрузка; 4 — симистор температурной компенсации; У — управляющий сигнал; С1, С2 — терминалы слежения

Неотъемлемой составляющей установки панелей с фотоэлектрическим эффектом является трекер. Прибор отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracker). В современном виде это цифровой сканер, которым панельная система синхронизируется по местоположению солнца.

Фотоэлектрический эффект напрямую зависит от интенсивности солнечного света. Сила света солнца зависит от времени и движения Земли. Поэтому для обеспечения максимального поглощения света панель необходимо перемещать вслед за солнцем.

Дополнительное оборудование для батареи

Свет солнца можно считать неиссякаемой энергетической подпиткой для получения фотоэлектрического эффекта. Однако интенсивность солнечного света привязана к погодным условиям Земли. Поэтому уровень излучения не является постоянным.

Этот факт не позволяет использовать солнечные батареи исключительно только лишь в паре с инвертором – преобразователем постоянного тока в переменный ток.

Традиционно схема установки получения фотоэлектрического эффекта комплектуется дополнительным оборудованием:

  • аккумуляторами,
  • контроллером заряда аккумуляторов,
  • компенсатором температуры.

Таким образом, энергия от солнечной батареи накапливается в аккумуляторах, а контроллер регулирует границы заряда/разряда АКБ. Накопленная в аккумуляторах энергия постоянного тока передаётся на инвертор, где преобразуется в переменное напряжение, пригодное для быта или иных целей.

Урок о законах физики, связанных с фотоэффектом


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *