Фотоэлементы на основе кремния генерируют ток при попадании на них излучения. Для этого достаточно 1000 Вт/м² – стандартного показателя в ясный день. КПД современных моделей достигает 22-24%, а у экспериментальных образцов – до 47%.
Ключевые компоненты: полупроводниковый слой с p-n переходом, антибликовое покрытие, металлические проводники и защитное стекло. Толщина кремниевой пластины не превышает 200 микрон, а вес квадратного метра конструкции – 12-18 кг.
При облучении фотоны выбивают электроны из атомов, создавая разность потенциалов. Одна ячейка выдаёт 0.5-0.6 В, поэтому их объединяют последовательно. Типичный модуль содержит 60-72 элемента и вырабатывает 300-400 Вт при напряжении 30-40 В.
Для максимальной отдачи угол наклона должен равняться широте местности, а поверхность – оставаться чистой. Падение КПД при загрязнении достигает 15-20% уже через месяц без обслуживания.
Содержание материала
Как преобразуется свет в электричество
Фотоэлементы изготавливаются из кремния с добавлением примесей, создающих p-n-переход. При попадании фотонов на поверхность, электроны выбиваются из атомов, формируя разность потенциалов. Средний КПД монокристаллических модулей – 18-22%, поликристаллических – 15-18%.
Ключевые компоненты системы
1. Фотоактивный слой – пластины толщиной 180-220 мкм с антибликовым покрытием.
2. Контакты – серебряные шины шириной 1-2 мм, отводящие ток.
3. Защитное стекло – закалённое, с пропусканием 92-95% света.
4. Рама – алюминиевый профиль толщиной 35-50 мм.
Оптимальные условия эксплуатации
Максимальная мощность достигается при:
— Угле наклона 30-45° к горизонту;
— Температуре поверхности до 25°C (рост на 1°C снижает КПД на 0,4%);
— Инсоляции 1000 Вт/м² без затенения.
Как устроена фотоэлектрическая система: ключевые элементы и их назначение
Фотоэлементы и их роль в генерации энергии
Основу конструкции составляют кремниевые ячейки, преобразующие свет в электричество. Моно- и поликристаллические модули отличаются КПД: первые достигают 22%, вторые – до 18%. Тонкоплёночные варианты из аморфного кремния дешевле, но их эффективность не превышает 10%.
Вспомогательные компоненты
Алюминиевая рама защищает хрупкие элементы от механических повреждений. Закалённое стекло толщиной 3-4 мм пропускает 95% света, блокируя УФ-излучение. Полимерная подложка из EVA-плёнки герметизирует конструкцию, предотвращая окисление контактов.
Инвертор преобразует постоянный ток (12-48 В) в переменный (220 В). Для автономных систем требуются аккумуляторы с глубоким разрядом – гелевые или AGM-типа. Контроллер заряда продлевает срок службы батарей, отключая подачу энергии при 100% заполнении.
Как свет превращается в ток: физика явления
Фотоны, попадая на полупроводниковый материал (обычно кремний), выбивают электроны из атомов. Для этого энергия фотона должна превышать ширину запрещённой зоны: у кремния это 1,1 эВ. Если энергия недостаточна, преобразования не происходит.
Роль p-n перехода
Ключевой элемент – область контакта между слоями кремния с разными типами проводимости (p- и n-типа). Здесь возникает электрическое поле, разделяющее освобождённые электроны и дырки. Электроны движутся к n-слою, дырки – к p-слою, создавая разность потенциалов до 0,5 В на одном элементе.
Факторы эффективности
КПД современных элементов достигает 22-24% для монокристаллического кремния. Потери происходят из-за:
- Отражения света (снижается антибликовым покрытием)
- Превышения энергии фотонов (лишняя энергия рассеивается в тепло)
- Сопротивления материала (уменьшается легированием)
Для увеличения выхода тока используют многослойные структуры с разной шириной запрещённой зоны, например, арсенид галлия (1,4 эВ) поверх кремния.
