Pro výrobu elektřiny ze slunce potřebujete solární modul, který se skládá z jednoho nebo více solárních fotovoltaických článků. Když sluneční světlo svítí na solární článek, materiál solárního článku část slunečního světla absorbuje (fotony). Každý foton má malé množství energie. Když je foton absorbován, zahájí proces uvolnění elektronu v solárním článku. Vzhledem k tomu, že obě strany fotovoltaického článku mají proudové vývody, při pohlcení fotonu vzniká v obvodu proud. Solární článek vyrábí elektřinu, kterou lze okamžitě použít nebo uložit do baterie.
Princip činnosti fotovoltaického článku
- 1. světlo (fotony)
- 4.pn přechodová vrstva
- 2.přední kontakt
- 5.pozitivní vrstva
- 3.negativní vrstva
- 6. zpětný kontakt
Dokud je solární článek osvětlen, proces výroby volných elektronů pokračuje a vzniká elektřina, to znamená, že je pozorován fotovoltaický efekt. Materiály, ze kterých je prvek vyroben, jsou polovodiče se speciálními vlastnostmi.
Nejjednodušší konstrukce solárního článku (SC) – zařízení pro přeměnu energie slunečního záření – na bázi monokrystalického křemíku je na obr. 1. Obr. V malé hloubce od povrchu křemíkového plátku typu p se vytvoří pn přechod s tenkým kovovým kontaktem. Na zadní stranu desky je aplikován nepřetržitý kovový kontakt.
Obr.2. Zónový model otevřeného pn přechodu: a) – v počátečním okamžiku osvětlení; b) – změna modelu zóny vlivem stálého osvětlení a vzhledu fotoEMF
Když je SC osvětlena, absorbované fotony generují nerovnovážné páry elektron-díra. Elektrony generované v p-vrstvě poblíž pn přechodu se přibližují k pn přechodu a jsou přenášeny do n-oblasti elektrickým polem, které v ní existuje. Podobně přebytečné otvory vytvořené v n-vrstvě se částečně přenesou do p-vrstvy (obr. 2a). Výsledkem je, že n-vrstva získává další záporný náboj a p-vrstva získává kladný náboj. Počáteční rozdíl kontaktních potenciálů mezi p- a n-vrstvami polovodiče se zmenšuje a ve vnějším obvodu se objevuje napětí (obr. 2b). Záporný pól zdroje proudu odpovídá n-vrstvě a p-vrstva kladné.
Velikost ustáleného fotonapětí při osvětlení přechodu zářením konstantní intenzity popisuje rovnice proudově napěťové charakteristiky (voltampérová charakteristika) (obr. 3): Obr.
kde jásje saturační proud a Iph — fotoproud.
Obr.3. Proudově-napěťová charakteristika solárního článku
Obr.4. Ekvivalentní obvod solárního článku
Maximální odebraný výkon na jednotku plochy je roven
kde x je faktor tvaru nebo faktor plnění charakteristiky proud-napětí, Ikz – zkratový proud, Uxx – otevřený okruh napětí.
Solární moduly mohou vyrábět elektřinu po dobu 20 let nebo déle. K opotřebení dochází především vlivem okolního prostředí. Dobře nainstalovaný solární panel poskytne spolehlivý, tichý a čistý zdroj energie po mnoho let.
Solární články. Faktor plnění charakteristiky proud-napětí
Faktor plnění charakteristiky proud-napětí solárního článku (faktor plnění – FF) je poměr skutečného výkonu (Vpmax x Ipmax) na hypotetickou mocninu Voc x Isc. Tento koeficient je jedním z hlavních parametrů, podle kterých lze posuzovat kvalitu fotoelektrického měniče. Typické vysoce kvalitní komerčně vyráběné solární články mají faktor plnění charakteristiky proud-napětí > 0.70. Vadné prvky, které se obvykle prodávají na eBay nebo čínských aukcích nebo internetových obchodech (třída B), mají I-V pracovní cyklus v rozsahu od 0.4 do 0.65. U amorfních prvků a dalších tenkovrstvých fotoelektrických měničů je faktor plnění proudově-napěťové charakteristiky v rozmezí 0.4 – 0.7.
Na obrázku vpravo je teoretická mocnina plocha čtverce a skutečná mocnost odpovídá hranici modrého tvaru. FF je poměr plochy modré číslice k ploše součtu modrých a červených číslic. Dá se říci, že čím větší FF, tím nižší jsou ztráty v prvku vnitřním odporem.
Proudově-napěťová charakteristika fotočlánku – závislost na fotoproudu I, vznikající tokem elektronů emitovaných katodou pod vlivem světla, z napětí U mezi elektrodami.
Proudově napěťová charakteristika odpovídající dvěma různým osvětlením katody (frekvence světla je v obou případech stejná) je na obrázku výše. Jak se zvyšujete U Fotoproud se postupně zvyšuje, tzn. k anodě dopadá rostoucí počet fotoelektronů. Plochý charakter křivek ukazuje, že elektrony jsou emitovány z katody různými rychlostmi. Maximální aktuální hodnota – saturační fotoproud – je určena hodnotou U, při které všechny elektrony emitované katodou dosáhnou anodu:
Kde n – počet elektronů emitovaných katodou za 1 s.
Z proudově-napěťové charakteristiky vyplývá, že kdy U = 0 fotoproud nezmizí. V důsledku toho mají elektrony vyražené z katody světlem určitou počáteční rychlost v, a tedy nenulovou kinetickou energii a může dosáhnout anody bez vnějšího pole. Aby se fotoproud vyrovnal kulce, je nutné použít zpožďovací napětí U. S U = U žádný z elektronů, dokonce ani ty s maximální rychlostí při výstupu z katody vmax, nemůže překonat retardační pole a dosáhnout anody. Proto,
Tedy měřením napětí zpoždění Uje možné určit maximální hodnoty rychlosti kinetické energie fotoelektronů.
Experimentálně bylo prokázáno, že retardační potenciál závisí na frekvenci světla, kterým je katoda fotočlánku ozařována, a nezávisí na velikosti dopadajícího světelného toku. Se zvyšující se frekvencí ozařujícího světla se zvyšuje retardační potenciál
Závislost intenzity fotoproudu na aplikovaném rozdílu potenciálu při osvětlení katody světlem různých frekvencí se stejným počtem vyražených elektronů (v2> v1> v)
Experimentálně bylo zjištěno, že kinetická energie elektronů vyvržených světlem závisí pouze na frekvenci dopadajícího světla a nezávisí na velikosti světelného toku. Pokud je frekvence světla menší než minimální frekvence stanovená pro danou látku v, pak k fotoelektrickému jevu nedochází. Frekvence v se nazývá červený limit fotoelektrického jevu. Zpomalovací potenciál odpovídající červené hranici fotoelektrického jevu je nulový.
Stručné shrnutí: Saturační fotoproud závisí pouze na intenzitě a blokovacím napětí U závisí na kinetické energii elektronů vyvržených světlem, kinetická energie zase závisí pouze na frekvenci světla.
47. Pracovní funkce pro vnější fotoelektrický jev, červený okraj fotoelektrického jevu.
Podle Einsteina je každé kvantum absorbováno pouze jedním elektronem. Proto musí být počet vyvržených fotoelektronů úměrný intenzitě světla (I zákon fotoelektrického jevu). Nesetrvačnost fotoelektrického jevu se vysvětluje tím, že přenos energie při srážce fotonu s elektronem nastává téměř okamžitě.
Energie dopadajícího fotonu je spotřebována na elektron, který vykonává práci výstupu A z kovu a na předávání kinetické energie emitovanému fotoelektronu. Podle zákona zachování energie
Rovnice (1) se nazývá Einsteinova rovnice pro vnější fotoelektrický jev.
Einsteinova rovnice nám umožňuje vysvětlit II a III zákony fotoelektrického jevu. Z (1) bezprostředně vyplývá, že maximální kinetická energie fotoelektronu roste lineárně s rostoucí frekvencí dopadajícího záření a nezávisí na jeho intenzitě (počtu fotonů), jelikož ani ANebo v nezávisí na intenzitě světla (II. zákon fotoelektrického jevu). Protože s klesající frekvencí světla klesá kinetická energie fotoelektronů (pro daný kov A = konst), pak při nějaké dostatečně nízké frekvenci v = v kinetická energie fotoelektronů bude nulová a fotoelektrický jev ustane (III. zákon fotoelektrického jevu). Podle výše uvedeného z (1) získáme, že
и je zde červený okraj fotoelektrického jevu pro daný kov. Záleží pouze na pracovní funkci elektronu, tzn. na chemické povaze látky a stavu jejího povrchu. Výraz (1) lze zapsat jako
