> Νέα > Εταιρικά Νέα

Τι είναι το φωτοβολταϊκό;

2022-12-22

Φωτοβολταϊκά είναι η άμεση μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια σε ατομικό επίπεδο. Ορισμένα υλικά παρουσιάζουν μια ιδιότητα γνωστή ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο που τα αναγκάζει να απορροφούν φωτόνια φωτός και να απελευθερώνουν ηλεκτρόνια. Όταν συλλαμβάνονται αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, προκύπτει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρική ενέργεια.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από έναν Γάλλο φυσικό, τον Edmund Bequerel, το 1839, ο οποίος διαπίστωσε ότι ορισμένα υλικά θα παράγουν μικρές ποσότητες ηλεκτρικού ρεύματος όταν εκτίθενται στο φως. Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε τη φύση του φωτός και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στο οποίο βασίζεται η φωτοβολταϊκή τεχνολογία, για το οποίο αργότερα κέρδισε το βραβείο Νόμπελ στη φυσική. Η πρώτη φωτοβολταϊκή μονάδα κατασκευάστηκε από την Bell Laboratories το 1954. Τιμολογήθηκε ως ηλιακή μπαταρία και ήταν ως επί το πλείστον απλώς μια περιέργεια, καθώς ήταν πολύ ακριβό για να αποκτήσει ευρεία χρήση. Στη δεκαετία του 1960, η διαστημική βιομηχανία άρχισε να κάνει την πρώτη σοβαρή χρήση της τεχνολογίας για την παροχή ενέργειας στα διαστημόπλοια. Μέσω των διαστημικών προγραμμάτων προχώρησε η τεχνολογία, εδραιώθηκε η αξιοπιστία της και το κόστος άρχισε να μειώνεται. Κατά τη διάρκεια της ενεργειακής κρίσης στη δεκαετία του 1970, η φωτοβολταϊκή τεχνολογία κέρδισε την αναγνώριση ως πηγή ενέργειας για μη διαστημικές εφαρμογές.

Το παραπάνω διάγραμμα απεικονίζει τη λειτουργία ενός βασικού φωτοβολταϊκού στοιχείου, που ονομάζεται επίσης ηλιακό στοιχείο. Τα ηλιακά κύτταρα κατασκευάζονται από τα ίδια είδη ημιαγωγών υλικών, όπως το πυρίτιο, που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία μικροηλεκτρονικών. Για τα ηλιακά κύτταρα, μια λεπτή γκοφρέτα ημιαγωγών επεξεργάζεται ειδικά για να σχηματίσει ένα ηλεκτρικό πεδίο, θετικό στη μία πλευρά και αρνητικό στην άλλη. Όταν η φωτεινή ενέργεια χτυπά το ηλιακό κύτταρο, τα ηλεκτρόνια χάνονται από τα άτομα στο υλικό ημιαγωγών. Εάν οι ηλεκτρικοί αγωγοί συνδέονται με τη θετική και την αρνητική πλευρά, σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να συλληφθούν με τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος -- δηλαδή ηλεκτρισμού. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία ενός φορτίου, όπως ένα φως ή ένα εργαλείο.

Ένας αριθμός ηλιακών κυψελών που συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους και τοποθετούνται σε μια δομή στήριξης ή πλαίσιο ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο. Οι μονάδες έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε μια συγκεκριμένη τάση, όπως ένα κοινό σύστημα 12 βολτ. Το ρεύμα που παράγεται εξαρτάται άμεσα από το πόσο φως προσπίπτει στη μονάδα.

Οι σημερινές πιο κοινές φωτοβολταϊκές συσκευές χρησιμοποιούν μια ενιαία διασταύρωση, ή διεπαφή, για να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε έναν ημιαγωγό όπως ένα Φ/Β στοιχείο. Σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μονής διασταύρωσης, μόνο φωτόνια των οποίων η ενέργεια είναι ίση ή μεγαλύτερη από το διάκενο ζώνης του υλικού της κυψέλης μπορούν να απελευθερώσουν ένα ηλεκτρόνιο για ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Με άλλα λόγια, η φωτοβολταϊκή απόκριση κυψελών μονής διασταύρωσης περιορίζεται στο τμήμα του ηλιακού φάσματος του οποίου η ενέργεια είναι πάνω από το διάκενο ζώνης του απορροφητικού υλικού και δεν χρησιμοποιούνται φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας.

Ένας τρόπος για να παρακάμψετε αυτόν τον περιορισμό είναι να χρησιμοποιήσετε δύο (ή περισσότερες) διαφορετικές κυψέλες, με περισσότερα από ένα διάκενα ζώνης και περισσότερες από μία διασταυρώσεις, για να δημιουργήσετε μια τάση. Αυτά αναφέρονται ως κύτταρα "πολλαπλών συνδέσεων" (ονομάζονται επίσης "cascade" ή "tandem" κύτταρα). Οι συσκευές πολλαπλών συνδέσεων μπορούν να επιτύχουν υψηλότερη συνολική απόδοση μετατροπής επειδή μπορούν να μετατρέψουν περισσότερο από το ενεργειακό φάσμα του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια.

Όπως φαίνεται παρακάτω, μια συσκευή πολλαπλών συνδέσεων είναι μια στοίβα μεμονωμένων κυψελών μονής διασταύρωσης σε φθίνουσα σειρά διάκενου ζώνης (π.χ.). Το επάνω κύτταρο συλλαμβάνει τα υψηλής ενέργειας φωτόνια και περνά τα υπόλοιπα φωτόνια για να απορροφηθούν από κύτταρα χαμηλότερου κενού ζώνης.

Μεγάλο μέρος της σημερινής έρευνας σε κύτταρα πολλαπλών συνδέσεων επικεντρώνεται στο αρσενίδιο του γαλλίου ως ένα (ή όλα) από τα συστατικά κύτταρα. Τέτοιες κυψέλες έχουν φθάσει σε απόδοση περίπου 35% υπό συγκεντρωμένο ηλιακό φως. Άλλα υλικά που μελετήθηκαν για συσκευές πολλαπλών συνδέσεων ήταν το άμορφο πυρίτιο και το δισελενίδιο του ινδίου του χαλκού.

Για παράδειγμα, η παρακάτω συσκευή πολλαπλών συνδέσεων χρησιμοποιεί ένα άνω κύτταρο φωσφιδίου του γαλλίου ινδίου, "μια διασταύρωση σήραγγας", για να υποβοηθήσει τη ροή ηλεκτρονίων μεταξύ των κυττάρων, και ένα κύτταρο κάτω από αρσενίδιο του γαλλίου.

Προηγούμενος:Γιατί να πάτε για φωτοβολταϊκά;

Επόμενο:Τι είναι ένα κουτί συνδυασμού στην ηλιακή;