Френският физик Александър Едмонд Бекерел направи сензационното откритие още през 1839 г.: Когато светлината (снимка) попадне върху определени вещества, се създава напрежение (волтово). Но как работи с фотоволтаиците? Обясняваме как работят.
След откриването му отне 120 години фотоволтаиците да служат като източник на енергия за първите сателити и космически кораби. Междувременно слънчевата клетка се превърна в популярен доставчик на електроенергия за енергоспестяващи
От това се състои слънчевата клетка
Само определени материали могат да преобразуват светлината в електричество, един от тях е силиций. Повече от 90 процента от всички слънчеви клетки са направени от силиций. Неговото предимство: Суровината кварцов пясък се предлага в достатъчно количество на земята, а силицият е екологичен.
Светлината разхлабва електроните в граничния слой (зелено), които текат обратно навън през крушката.
Кристалната слънчева клетка обикновено се състои от два слоя силиций - заедно с дебелина от две до три десети от милиметъра.
От слънчевата страна силиция е умишлено осеян с фосфорни атоми. Казано по-просто, фосфорните атоми имат един отрицателен електрон твърде много (т.е. отрицателен). Борните атоми седят от другата страна на клетката - те имат един електрон твърде малко (т.е. положителен). Отрицателните и положителните слоеве се докосват.
Електричеството тече от слънчевата клетка чрез контролери за зареждане и инвертори в батерията или електропреносната мрежа.
Със светлина за потока на електричеството
Когато светлината удари клетката, електроните се привеждат в движение. След като тръгнат, те прескачат границата от отрицателния към положителния слой, където има недостиг на електрони - други се придвижват нагоре. Електроните мигрират обратно към стария си слой от долната страна на клетката чрез метална решетка (контактен пръст), кабел и носеща плоча (контакт). Когато веригата е затворена, протича електрически ток. Колкото повече светлинни лъчи удрят електроните, толкова повече електричество се произвежда. Ако облъчването остане същото, усилването на мощността зависи единствено от повърхността. Колкото по-голяма е повърхността, толкова по-висок е амперажът. Ако слънцето грее по-силно, слънчевата клетка произвежда повече електричество. Това е постоянен ток, тъй като се съхранява и в батерии. Слънчевите клетки обаче не могат да съхраняват електричествоте го доставят.
Слънчевият модул
Слънчевите клетки не могат да работят на открито без защита. Те трябва да са под капак: модулът.
Няколко слънчеви клетки са свързани заедно, за да образуват единица в модула. Кристалните клетки са нанизани и свързани помежду си. Нишките са опаковани в пластмасово фолио и поставени между две стъклени плочи. Тънкослойната технология създава голяма клетка при изпаряване на стъклената плоча. Лазер ги нарязва на ленти, които са свързани помежду си.
Захранващ блок, наричан още инвертор, преобразува постоянния ток, генериран от модулите, в променлив ток (230 волта променливо напрежение). Цялата генерирана електроенергия се подава в обществената мрежа. Това се възнаграждава в съответствие със „Закона за възобновяемите енергийни източници“ (EEG).
Два вида: кристални и аморфни слънчеви клетки
Има два вида слънчеви клетки: кристални и аморфни. Кристалните клетки представляват около 80% от световното производство.
Монокристални слънчеви клетки: Изходният материал е скъп свръхчист силиций, който се извлича от силициева стопилка в отнемащ време и скъп процес, пресова се в пръти и се нарязва на филийки с диаметър до 12 сантиметра. В монокристала всички атоми са подравнени по същия начин. Сините до черни, при поискване и различни цветни клетки, използват слънчевите лъчи в лабораторията с до 24 процента; на практика обаче само до 16 процента.
Многокристални слънчеви клетки: Промишлено произведеният полисилиций е по-евтин от производството на монокристали. На практика ефективността на синкавите клетки е от 11 до 14 процента.
Кристалните клетки почти не губят своята ефективност дори в продължение на десетилетия.
Аморфни слънчеви клетки
По-евтините аморфни клетки са подходящи за водни елементи в градината или битови везни в къщата, както и за големи фасади. Ако пространството за голяма фотоволтаична система е ограничено, кристалните клетки работят по-ефективно.
Ето как се изграждат аморфните клетки: Електрогенериращият слой се изпарява върху стъклена плоча. Атомите вече не се съхраняват в кристална структура, а по неуреден (аморфен) начин. Този процес изисква относително малко силиций, което понижава цената. В сравнение с кристалните клетки с дебелина от 0,2 до 0,3 милиметра, тънкослойните клетки измерват само 0,01 до 0,05 милиметра. Клетките са кафяви или антрацитни и имат ефективност от шест до седем процента. В тъмните дни аморфните клетки доставят повече електричество от другите.
Ефективността на аморфните клетки намалява с годините: след 20 години тя е около 70 процента от първоначалната продукция.
Съвременните слънчеви модули могат да бъдат инсталирани дискретно на покрива на вътрешния двор или навес за автомобили.
нови технологии
Две по-нови тънкослойни клетки работят без силиций: материал, изработен от меден индий дизеленид (CID) и от кадмиев телурид (CdTe). Понастоящем новите клетки се използват в пилотни инсталации. Технологията на бъдещето е нов тънкослоен процес, при който върху носител се нанася кристален силициев слой. Това съчетава високата ефективност на кристалните клетки с ниския разход на материал за тънкослойни клетки.
Има ли ограничения за ефективността?
Както е обяснено по-горе, монокристалните модули постигат най-високи нива на ефективност, следвани от поликристалните слънчеви модули. Предимствата на монокристалните модули обаче се компенсират от високия разход на енергия и разходите за отглеждане на силициевите кристали. По-ново развитие може да има голям потенциал тук: квазимонокристалните модули. Това са поликристални модули, които благодарение на специален контрол имат свойства, подобни на монокристалните модули по време на растежа на кристалите.
Ефективността на дадено вещество не може да бъде доразвита по желание и има естествени граници - тъй като материалът може да обработва само определени дължини на вълната на светлината. При монокристалните силициеви модули на теория възможно най-високата степен на ефективност е около 29 до 33 процента.
Това стигна ли до края на флагмана? Не, защото новите технологии създават и нови възможности. Така наречените тандемни слънчеви клетки, например, могат да увеличат ефективността, като използват прост принцип: Ако подреждате различни материали за различни части от светлинния спектър един върху друг, ефективността също се увеличава. Вече са постигнати над 40 процента и повече от 80 процента са възможни за в бъдеще.
Естествената ефективност също се усъвършенства допълнително. Японски учени обявиха нов рекорд за ефективност на силициевите слънчеви клетки от 26,3% в началото на 2017 г. Това не е далеч от специфичната граница на материала. Тук обаче важи следното: По-високата степен на ефективност прави слънчевата енергия по-евтина само ако производствените разходи не нарастват в същата степен.
