Maadili ya juu ya ufanisi wa seli za picha na moduli zilizopatikana katika hali ya maabara. Kanuni ya uendeshaji wa betri ya jua: jinsi jopo la jua limeundwa na kufanya kazi Electrovacuum na semiconductor photovoltaic converters ya nishati ya jua

Zagatin Sergey

Mada ya kazi yangu, "Mabadiliko ya Photovoltaic ya nishati ya jua," inafaa zaidi kwa wakati huu.

Katika mukhtasari, nilielezea mbinu za kubadilisha nishati ya jua ambayo inaweza kukidhi mahitaji ya nishati inayokua kwa kasi kwa maelfu ya miaka. Umeme ndio aina rahisi zaidi ya nishati kutumia na kusambaza, kwani mionzi ya jua ni chanzo kisicho na mwisho cha nishati.

Kwa maoni yangu, maendeleo makubwa ya nishati ya photovoltaic yatatoa msukumo mkubwa kwa maendeleo ya maeneo ya Dunia yenye mionzi ya jua ya wastani ya kila mwaka.

Pakua:

Hakiki:

Ilikamilishwa na: Zagatin S.V.

mwanafunzi wa darasa la 10A

Mkuu: Luchina T.V.

Mwalimu wa fizikia

2008

	UTANGULIZI……………………………………………………………
	UONGOZI WA NISHATI YA JUA NI NJIA YA AHADI KWA MAENDELEO YA NISHATI YA NISHATI.......
	UGEUZI WA PICHA WA NISHATI YA JUA………………………………………………………………………………
	HITIMISHO…………………………………………………………
	FASIHI……………………………………………………………

UTANGULIZI

Ukuaji wa haraka wa matumizi ya nishati ni moja wapo ya sifa kuu za shughuli za kiufundi za wanadamu katika nusu ya pili ya karne ya 20. Hadi hivi karibuni, maendeleo ya nishati hayakukutana na matatizo yoyote ya msingi. Kuongezeka kwa uzalishaji wa nishati ilitokea hasa kutokana na ongezeko la uzalishaji wa mafuta na gesi, ambayo ni rahisi zaidi kwa matumizi. Hata hivyo, nishati iligeuka kuwa sekta kuu ya kwanza ya uchumi wa dunia kukabiliana na hali ya kupungua kwa msingi wa malighafi ya jadi. Mwanzoni mwa miaka ya 70, shida ya nishati ilizuka katika nchi nyingi. Moja ya sababu za mgogoro huu ilikuwa upatikanaji mdogo wa rasilimali za nishati ya mafuta. Aidha, mafuta, gesi na makaa ya mawe pia ni malighafi yenye thamani zaidi kwa sekta ya kemikali inayoendelea kwa kasi. Kwa hiyo, sasa inazidi kuwa vigumu kudumisha kasi ya juu ya maendeleo ya nishati kwa kutumia tu vyanzo vya jadi vya nishati.

Nishati ya nyuklia pia hivi karibuni imekabiliwa na matatizo makubwa, hasa kuhusiana na haja ya kuongeza kasi ya gharama ili kuhakikisha usalama wa mitambo ya nyuklia.

Uchafuzi wa mazingira na bidhaa za mwako wa vyanzo vya mafuta, hasa makaa ya mawe na mafuta ya nyuklia, ni sababu ya kuzorota kwa hali ya mazingira duniani. "Uchafuzi wa joto" wa sayari ambayo hutokea wakati wa kuchoma aina yoyote ya mafuta pia ni muhimu. Kikomo cha juu kinachoruhusiwa cha uzalishaji wa nishati Duniani, kulingana na wanasayansi wengine, ni maagizo mawili tu ya ukubwa wa juu kuliko wastani wa sasa wa ulimwengu. Ongezeko hili la matumizi ya nishati linaweza kusababisha ongezeko la joto kwenye uso wa Dunia kwa takriban digrii moja. Usumbufu wa usawa wa nishati ya sayari kwa kiwango kama hicho unaweza kusababisha mabadiliko ya hali ya hewa yasiyoweza kutenduliwa, hatari. Hali hizi huamua jukumu linalokua la vyanzo vya nishati mbadala, matumizi yaliyoenea ambayo hayatasababisha usumbufu wa usawa wa ikolojia wa Dunia.

UONGOZI WA NISHATI YA JUA - NJIA YA AHADI

Aina nyingi za nishati mbadala - nishati ya maji, mitambo na nishati ya joto kutoka kwa bahari ya dunia, upepo na nishati ya jotoardhi - ina sifa ya uwezo mdogo au matatizo makubwa katika matumizi makubwa. Uwezo wa jumla wa vyanzo vingi vya nishati mbadala utaongeza matumizi ya nishati kutoka viwango vya sasa kwa mpangilio wa ukubwa tu. Lakini kuna chanzo kingine cha nishati - Jua. Jua, nyota ya darasa la spectral 2, kibete cha njano, ni nyota ya wastani sana katika vigezo vyake vyote kuu: wingi, radius, joto na ukubwa kabisa. Lakini nyota hii ina sifa moja ya kipekee - ni "nyota yetu", na ubinadamu unadaiwa uwepo wake wote kwa nyota hii ya wastani. Nyota yetu inaipatia Dunia nguvu ya takriban 10 17 W - hiyo ni nguvu ya "mahali pa jua" yenye kipenyo cha kilomita 12.7,000, ambayo huangazia kila mara upande wa sayari yetu inayoelekea Jua. Nguvu ya mwanga wa jua kwenye usawa wa bahari katika latitudo za kusini, wakati Jua liko kwenye kilele chake, ni 1 kW/m. 2 . Kwa kutengeneza mbinu bora za kubadilisha nishati ya jua, Jua linaweza kutoa mahitaji ya nishati yanayokua kwa kasi kwa mamia ya miaka.

Hoja za wapinzani wa matumizi makubwa ya nishati ya jua huchemka kwa hoja zifuatazo:

Nguvu maalum ya mionzi ya jua ni ndogo, na ubadilishaji mkubwa wa nishati ya jua utahitaji maeneo makubwa sana.
Kubadilisha nishati ya jua ni ghali sana na kunahitaji nyenzo zisizo za kweli na gharama za kazi.

Kwa kweli, eneo la Dunia linalofunikwa na mifumo ya kubadilisha fedha litakuwa kubwa kiasi gani ili kutoa sehemu kubwa ya umeme katika bajeti ya nishati ya kimataifa? Kwa wazi, eneo hili linategemea ufanisi wa mifumo ya kubadilisha fedha inayotumiwa. Ili kutathmini ufanisi wa vigeuzi vya photovoltaic ambavyo hubadilisha moja kwa moja nishati ya jua kuwa nishati ya umeme kwa kutumia seli za semiconductor, tunatanguliza dhana ya mgawo wa utendaji (ufanisi) wa seli ya picha, inayofafanuliwa kama uwiano wa nguvu ya umeme inayozalishwa na kipengele fulani kwa nguvu ya tukio la mwanga wa jua kwenye uso wa seli ya picha. Kwa hivyo, kwa ufanisi wa vibadilishaji vya jua sawa na 10% (maadili ya kawaida ya ufanisi kwa seli za jua za silicon, zinazotumiwa sana katika uzalishaji mkubwa wa viwanda kwa mahitaji ya nishati ya msingi), kwa ajili ya uzalishaji wa 10. 12 W ya umeme ingehitaji kufunika eneo la 4 10 na vibadilishaji picha 10 m2 , sawa na mraba na upande wa 200 km. Katika kesi hii, nguvu ya mionzi ya jua inachukuliwa sawa na 250 W / m 2 , ambayo inalingana na wastani wa kawaida wa kila mwaka kwa latitudo za kusini. Hiyo ni, "wiani mdogo" wa mionzi ya jua sio kikwazo kwa maendeleo ya nishati kubwa ya jua. Njia zinazowezekana za kuunda waongofu wa nishati ya jua za gharama nafuu zitajadiliwa katika sehemu zifuatazo za makala hii.

Mawazo hapo juu ni hoja yenye kulazimisha: tatizo la kubadilisha nishati ya jua lazima litatuliwe leo ili kutumia nishati hii kesho. Angalau mtu anaweza kufikiria kwa utani shida hii ndani ya mfumo wa kutatua shida za nishati ya muunganisho wa nyuklia unaodhibitiwa, wakati mmenyuko mzuri (Jua) umeundwa na maumbile yenyewe na hutoa rasilimali kwa operesheni ya kuaminika na salama kwa mamilioni ya miaka, na yetu. kazi ni kutengeneza tu kituo kidogo cha kubadilisha fedha cha msingi. Hivi karibuni, utafiti wa kina umefanywa duniani katika uwanja wa nishati ya jua, ambayo imeonyesha kuwa katika siku za usoni njia hii ya kuzalisha nishati inaweza kuwa haki ya kiuchumi na kupata matumizi makubwa.

Urusi ni tajiri katika maliasili. Tuna akiba kubwa ya nishati ya mafuta - makaa ya mawe, mafuta, gesi. Hata hivyo, matumizi ya nishati ya jua pia ni ya umuhimu mkubwa kwa nchi yetu. Licha ya ukweli kwamba sehemu kubwa ya eneo la Urusi iko kwenye latitudo za juu, baadhi ya maeneo makubwa ya kusini ya nchi yetu yana hali ya hewa nzuri kwa matumizi makubwa ya nishati ya jua.

Matumizi ya nishati ya jua ina matarajio makubwa zaidi katika nchi za ukanda wa ikweta wa Dunia na maeneo ya karibu na ukanda huu, unaojulikana na kiwango cha juu cha nishati ya jua. Kwa hivyo, katika mikoa kadhaa ya Asia ya Kati, muda wa mionzi ya jua moja kwa moja hufikia masaa 3000 kwa mwaka, na kuwasili kwa kila mwaka kwa nishati ya jua kwenye uso wa usawa ni 1500 - 1850 kWh / m. 2 .

Miongozo kuu ya kazi katika uwanja wa ubadilishaji wa nishati ya jua kwa sasa ni:

inapokanzwa moja kwa moja ya mafuta (uzalishaji wa nishati ya joto) na uongofu wa thermodynamic (uzalishaji wa nishati ya umeme na ubadilishaji wa kati wa nishati ya jua ndani ya nishati ya joto);
ubadilishaji wa photovoltaic wa nishati ya jua.

Kupokanzwa kwa joto la moja kwa moja ni njia rahisi zaidi ya kubadilisha nishati ya jua na hutumiwa sana katika mikoa ya kusini ya Urusi na katika nchi za ikweta katika mitambo ya joto ya jua, usambazaji wa maji ya moto, baridi ya jengo, kufuta maji, nk. Msingi wa mitambo ya kutumia joto la jua ni watoza wa jua gorofa - wachukuaji wa mionzi ya jua. Maji au kioevu kingine, kuwa katika kuwasiliana na absorber, ni joto na kuondolewa kutoka kwa hiyo kwa kutumia pampu au mzunguko wa asili. Kisha kioevu chenye joto huingia kwenye hifadhi, kutoka ambapo hutumiwa kama inahitajika. Kifaa hiki kinawakumbusha mifumo ya ugavi wa maji ya moto ya ndani.

Umeme ndio aina rahisi zaidi ya nishati kutumia na kusambaza. Kwa hiyo, maslahi ya watafiti katika maendeleo na uundaji wa mitambo ya nishati ya jua ambayo hutumia ubadilishaji wa kati wa nishati ya jua kuwa joto na uongofu wake unaofuata kuwa umeme unaeleweka.

Katika ulimwengu sasa, mimea ya kawaida ya nishati ya jua ya joto ni ya aina mbili: 1) aina ya mnara (Mchoro 1) na mkusanyiko wa nishati ya jua kwenye mpokeaji mmoja wa jua, uliofanywa kwa kutumia idadi kubwa ya vioo vya gorofa; 2) mifumo iliyotawanyika ya paraboloids na mitungi ya parabolic, kwa kuzingatia ambayo wapokeaji wa joto na waongofu wa chini wa nguvu ziko.

UONGOZI WA PICHA WA NISHATI YA JUA

Mchango muhimu wa kuelewa utaratibu wa utekelezaji wa athari ya picha katika semiconductors ulifanywa na mwanzilishi wa Taasisi ya Fizikia-Kiufundi (PTI) ya Chuo cha Sayansi cha Urusi, Msomi A.F. Ioff. Aliota ya kutumia seli za semiconductor katika nishati ya jua tayari katika miaka ya thelathini, wakati B.T. Kolomiets na Yu.P. Maslavovets iliunda seli za jua za sulfuri-thallium katika Taasisi ya Physicotechnical na ufanisi wa rekodi kwa wakati huo = 1%.

Matumizi makubwa ya paneli za jua kwa madhumuni ya nishati yalianza na uzinduzi mnamo 1958 wa satelaiti za bandia za Dunia - Soviet Sputnik-3 na Avangard-1 ya Amerika. Tangu wakati huo, kwa zaidi ya miaka 35, betri za jua za semiconductor zimekuwa chanzo kikuu na karibu chanzo pekee cha usambazaji wa nishati kwa vyombo vya anga na vituo vikubwa vya obiti kama vile Salyut na Mir. Msingi mpana uliokusanywa na wanasayansi katika uwanja wa betri za jua kwa matumizi ya nafasi pia umefanya uwezekano wa kuendeleza kazi ya nishati ya photovoltaic ya msingi.

Msingi wa photocells ni muundo wa semiconductor na makutano ya pn (Mchoro 2), ambayo inaonekana kwenye interface ya semiconductors mbili na taratibu tofauti za uendeshaji. Kumbuka kwamba istilahi hii inatokana na maneno ya Kiingereza chanya (chanya) na hasi (hasi). Aina mbalimbali za conductivity zinapatikana kwa kubadilisha aina ya uchafu iliyoletwa kwenye semiconductor. Kwa mfano, atomi za kikundi cha III cha Jedwali la Periodic D.I. Mendeleev, aliyeletwa kwenye kimiani ya kioo ya silicon, anatoa shimo la mwisho (chanya) conductivity, na uchafu wa kikundi V - elektroniki (hasi). Mawasiliano ya p- au n- semiconductors husababisha kuundwa kwa uwanja wa umeme wa mawasiliano kati yao, ambayo ina jukumu muhimu sana katika uendeshaji wa photocell ya jua. Wacha tueleze sababu ya kutokea kwa tofauti inayoweza kutokea ya mawasiliano. Wakati semiconductor za p- na n-aina zinajumuishwa katika fuwele moja, mtiririko wa kuenea kwa elektroni hutokea kutoka kwa semiconductor ya aina ya n hadi semiconductor ya aina ya p na, kinyume chake, mtiririko wa mashimo kutoka p- hadi n-semiconductor. Kwa matokeo ya mchakato huu, sehemu ya semiconductor ya aina ya p iliyo karibu na makutano ya p-n itashtakiwa vibaya, na sehemu ya semiconductor ya aina ya n iliyo karibu na makutano ya p-n, kinyume chake, itapata malipo mazuri. Kwa hivyo, safu ya kushtakiwa mara mbili huundwa karibu na makutano ya p-n, ambayo inakabiliana na mchakato wa kuenea kwa elektroni na mashimo. Hakika, uenezi huelekea kuunda mtiririko wa elektroni kutoka eneo la n hadi eneo la p, na shamba la safu ya kushtakiwa, kinyume chake, inarudi elektroni kwenye eneo la n. Vivyo hivyo, uwanja wa makutano ya p-n unakabiliana na uenezaji wa mashimo kutoka p- hadi n-kanda. Kama matokeo ya michakato miwili inayofanya kazi kwa mwelekeo tofauti (usambazaji na harakati za wabebaji wa sasa kwenye uwanja wa umeme), hali ya utulivu, ya usawa imeanzishwa: safu ya kushtakiwa inaonekana kwenye mpaka, kuzuia kupenya kwa elektroni kutoka kwa n-semiconductor na. mashimo kutoka kwa p-semiconductor. Kwa maneno mengine, katika eneo la makutano ya p-n kizuizi cha nishati (uwezo) kinatokea, kushinda ambayo elektroni kutoka kwa n-semiconductor na mashimo kutoka kwa p-semiconductor lazima kutumia nishati fulani. Bila kuacha kuelezea sifa za umeme za makutano ya pn, ambayo hutumiwa sana katika rectifiers, transistors na vifaa vingine vya semiconductor, hebu tuchunguze uendeshaji wa pn junction katika photocells.

Wakati mwanga unaingizwa kwenye semiconductor, jozi za shimo la elektroni husisimka. Katika semiconductor homogeneous, photoexcitation huongeza tu nishati ya elektroni na mashimo, bila kuwatenganisha katika nafasi, yaani, elektroni na mashimo hutenganishwa katika "nafasi ya nishati", lakini kubaki karibu katika nafasi ya kijiometri. Kwa kujitenga kwa flygbolag za sasa na kuonekana kwa nguvu ya photoelectromotive (pichaEMF), nguvu ya ziada lazima iwepo. Kutenganishwa kwa ufanisi zaidi kwa flygbolag zisizo na usawa hutokea kwa usahihi katika eneo la makutano ya pn (Mchoro 2). Wabebaji wa "wachache" wanaozalishwa karibu na makutano ya p-n (mashimo katika semiconductor n na elektroni katika p-semiconductor) huenea kwenye makutano ya p-n, huchukuliwa na uwanja wa makutano ya p-n na kutupwa kwenye semiconductor, ambayo huwa. wabebaji wengi: elektroni zitawekwa ndani katika semicondukta ya aina ya n, na mashimo yako kwenye semicondukta ya aina ya p. Matokeo yake, semiconductor ya aina ya p inapata malipo mazuri ya ziada, na semiconductor ya aina ya n inapata malipo mabaya ya ziada. Kati ya maeneo ya n- na p ya photocell, tofauti inayoweza kutokea hutokea - photoEMF. Polarity ya pichaEMF inalingana na upendeleo wa "mbele" wa makutano ya p-n, ambayo hupunguza urefu wa kizuizi na kukuza sindano ya mashimo kutoka eneo la p hadi eneo la n na elektroni kutoka eneo la n hadi p-kanda. . Kama matokeo ya hatua ya mifumo hii miwili ya kinyume - mkusanyiko wa flygbolag za sasa chini ya ushawishi wa mwanga na outflow yao kutokana na kupungua kwa urefu wa kizuizi kinachowezekana - maadili tofauti ya photovoltage yanaanzishwa kwa nguvu tofauti za mwanga. Katika kesi hii, thamani ya photovoltage katika aina mbalimbali za mwanga huongezeka kwa uwiano wa logarithm ya mwanga wa mwanga. Kwa mwanga wa juu sana, wakati kizuizi kinachowezekana kinageuka kuwa sifuri, thamani ya photoEMF hufikia "kueneza" na inakuwa sawa na urefu wa kizuizi kwenye makutano ya p-n isiyo na mwanga. Inapoangazwa na mionzi ya moja kwa moja, pamoja na mionzi ya jua iliyojilimbikizia hadi mara 100 - 1000, thamani ya photoEMF ni 50 - 85% ya thamani ya tofauti ya uwezo wa kuwasiliana wa makutano ya p-n.

Tulichunguza mchakato wa kutokea kwa photoEMF ambayo hutokea kwenye anwani za maeneo ya p- na n ya makutano ya p-n. Wakati makutano ya pn yaliyoangaziwa yana mzunguko mfupi, mkondo wa sasa utapita katika mzunguko wa umeme unaolingana na kiwango cha kuangaza na idadi ya jozi za shimo la elektroni zinazozalishwa na mwanga. Wakati mzigo wa malipo, kama vile kikokotoo kinachoendeshwa na betri ya jua, umeunganishwa kwenye mzunguko wa umeme, sasa katika saketi itapungua kidogo. Kwa kawaida, upinzani wa umeme wa mzigo wa malipo katika mzunguko wa seli za jua huchaguliwa ili kupata nguvu ya juu ya umeme iliyotolewa kwa mzigo huu.

Photocell ya jua imetengenezwa kutoka kwa kaki iliyotengenezwa kwa nyenzo ya semiconductor, kama vile silikoni. Mikoa yenye p- na n-aina ya conductivity huundwa katika sahani (Mchoro 2). Njia za kuunda maeneo haya ni pamoja na, kwa mfano, njia ya kueneza uchafu au njia ya kukuza semiconductor moja hadi nyingine. Kisha miunganisho ya umeme ya chini na ya juu hufanywa (elektroni zimetiwa kivuli kwenye takwimu), na mguso wa chini ni thabiti, na wa juu hufanywa kwa namna ya muundo wa kuchana (vipande nyembamba vilivyounganishwa na basi ya sasa ya mkusanyiko pana. )

Nyenzo kuu ya kutengeneza seli za jua ni silicon. Teknolojia ya kutengeneza silicon ya semiconductor na seli za picha kulingana nayo inategemea njia zilizotengenezwa katika microelectronics - teknolojia ya viwanda iliyoendelea zaidi. Silicon, inaonekana, kwa ujumla ni mojawapo ya vifaa vilivyojifunza zaidi katika asili, na pia ya pili kwa wingi baada ya oksijeni. Kwa kuzingatia kwamba seli za jua za kwanza zilifanywa kutoka kwa silicon karibu miaka arobaini iliyopita, ni kawaida kwamba nyenzo hii inacheza fiddle ya kwanza katika mipango ya nishati ya jua ya photovoltaic. Seli za picha zilizotengenezwa kutoka kwa silicon ya monocrystalline huchanganya faida za kutumia nyenzo za semiconductor za bei nafuu na vigezo vya juu vya vifaa vilivyopatikana kutoka kwake.

Hadi hivi majuzi, seli za jua kwa matumizi ya ardhini, na vile vile kwa matumizi ya nafasi, zilitengenezwa kwa msingi wa silicon ya bei ghali ya monocrystalline. Kupunguza gharama ya silicon ya awali, maendeleo ya mbinu za juu za utendaji kwa ajili ya utengenezaji wa kaki kutoka kwa ingots na teknolojia za juu za utengenezaji wa seli za jua zimefanya iwezekanavyo kupunguza gharama ya seli za jua za msingi wa ardhi kulingana na wao mara kadhaa. Maelekezo kuu ya kazi ili kupunguza zaidi gharama ya umeme wa jua ni: kupata vipengele kulingana na bei nafuu, ikiwa ni pamoja na strip, polycrystalline silicon; maendeleo ya vipengele vya bei nafuu vya filamu nyembamba kulingana na silicon ya amorphous na vifaa vingine vya semiconductor; Kubadilisha mionzi ya jua iliyokolea kwa kutumia vipengee vyenye msingi wa silicon na nyenzo mpya kiasi ya alumini-gallium-arseniki ya semicondukta.

Mchoro wa 3 unaonyesha michoro mbili za kielelezo za mitambo ya photovoltaic na viunganishi vya mionzi ya jua kwa namna ya vioo (juu) na lenzi za Fresnel (chini). Lens ya Fresnel ni sahani iliyofanywa kwa plexiglass yenye unene wa 1 - 3 mm, upande mmoja ambao ni gorofa, na kwa upande mwingine kuna wasifu kwa namna ya pete za kuzingatia, kurudia wasifu wa lens convex. Lensi za Fresnel ni nafuu sana kuliko lensi za kawaida za convex na hutoa kiwango cha mkusanyiko wa "jua" 2 - 3 elfu.

Katika miaka ya hivi karibuni, maendeleo makubwa yamepatikana ulimwenguni katika ukuzaji wa seli za jua za silicon ambazo hufanya kazi chini ya miale ya jua iliyokolea. Vipengele vya silicon na ufanisi> 25% vimeundwa chini ya hali ya mionzi kwenye uso wa Dunia kwa kiwango cha mkusanyiko wa 20 - 50 "jua". Viwango vya juu zaidi vya umakini vinaruhusiwa na seli za picha kulingana na nyenzo ya semiconductor ya alumini-gallium-arseniki, iliyoundwa kwanza katika Taasisi ya Fizikia na Ufundi iliyopewa jina hilo. A.F. Ioff mnamo 1969. Katika seli kama hizo za jua, maadili ya ufanisi> 25% hupatikana katika viwango vya mkusanyiko hadi mara 1000. Licha ya gharama kubwa ya vipengele vile, mchango wao kwa gharama ya umeme unaozalishwa haufanyiki kuwa maamuzi kwa viwango vya juu vya mkusanyiko wa mionzi ya jua kutokana na kupunguzwa kwa kiasi kikubwa (hadi mara 1000) katika eneo lao. Hali ambayo gharama ya seli za picha haitoi mchango mkubwa kwa gharama ya jumla ya usakinishaji wa nishati ya jua hufanya iwe na haki ya kugumu na kuongeza gharama ya photocell ikiwa hii inahakikisha kuongezeka kwa ufanisi. Hii inaelezea tahadhari ya sasa inayolipwa kwa maendeleo ya seli za jua zilizopigwa, ambazo hufanya iwezekanavyo kufikia ongezeko kubwa la ufanisi. Katika seli ya jua ya kuteleza, wigo wa jua umegawanywa katika sehemu mbili (au zaidi), kwa mfano, inayoonekana na ya infrared, ambayo kila moja inabadilishwa kwa kutumia seli za picha zilizotengenezwa kutoka kwa nyenzo tofauti. Katika kesi hiyo, hasara za nishati ya quanta ya mionzi ya jua hupunguzwa. Kwa mfano, katika cascades ya vipengele viwili thamani ya ufanisi wa kinadharia inazidi 40%.

HITIMISHO

Kutoka hapo juu, inafuata kwamba nishati ya jua ya photovoltaic inaahidi. Mionzi ya jua ni chanzo kisicho na mwisho cha nishati, hufikia pembe zote za Dunia, iko "karibu" kwa mtumiaji yeyote na ni rafiki wa mazingira, chanzo cha nishati cha bei nafuu.

Hasara ya mionzi ya jua kama chanzo cha nishati ni kutofautiana kwa kuwasili kwake juu ya uso wa dunia, kuamua na mzunguko wa kila siku na msimu, pamoja na hali ya hewa. Kwa hiyo, tatizo la kukusanya umeme unaozalishwa kwa kutumia mitambo ya nishati ya jua ni muhimu sana. Hivi sasa, tatizo hili linatatuliwa hasa kwa kutumia vifaa vya kawaida vya kuhifadhi kemikali - betri. Mojawapo ya njia zinazotia matumaini ya kuhifadhi ni utumizi wa umeme ili kuweka maji kuwa hidrojeni na oksijeni, ikifuatiwa na kuhifadhi na kutumia hidrojeni kama mafuta rafiki kwa mazingira, kwa kuwa mwako wa hidrojeni hutoa tu mvuke wa maji.

Maendeleo makubwa ya photovoltaics yatatoa msukumo mkubwa kwa maendeleo ya mikoa ya Dunia yenye mionzi ya jua ya wastani ya kila mwaka. Hii inatumika kimsingi kwa maeneo ya jangwa na kame, ambayo, kwa "kuwasili" kwa umeme wa jua, yatakuwa maeneo yanayofaa kwa kilimo hai - vikapu vya chakula vya Dunia. Je, hii ina maana kwamba jitihada za wataalamu zinapaswa kuzingatia tu maendeleo ya waongofu wa photoelectric na kutatua matatizo yanayohusiana moja kwa moja? Bila shaka hapana. Huwezi kuendeleza mwelekeo mmoja kwa gharama ya kukandamiza maelekezo mengine. Vile vile hutumika kwa sekta ya nguvu ya umeme: haiwezi kujengwa kulingana na aina moja tu ya rasilimali. Inapaswa kuzingatia vyanzo vingi: jua, upepo, nyuklia na, bila shaka, vyanzo vya jadi vya fossil. Hii itafanya uwezekano wa kupata njia bora za mwingiliano wao, hatua kwa hatua kuelekea sekta kamili, rafiki wa mazingira na ya kuaminika ya nishati ya siku zijazo.

FASIHI

Vasiliev A.M., Landsman A.P. Semiconductor photoconverters. M.: Sov. redio, 1971.
Alferov Zh.I. Nishati ya jua ya Photovoltaic / Katika: Mustakabali wa Sayansi. M.: Maarifa, 1978. P. 92-101.
Koltun M.M. Optics na metrology ya seli za jua. M.: Nauka, 1985.
Andreev V.M., Grilikhes V.A., Rumyantsev V.D. Ubadilishaji wa umeme wa picha wa mionzi ya jua iliyokolea. L.: Nauka, 1989.
Koltun M.M. Seli za jua. M.: Nauka, 1987.
Grilikhes V.A., Orlov P.P., Popov L.B. Nishati ya jua na ndege za anga. M.: Nauka, 1984.

Ukuaji wa haraka wa matumizi ya nishati husababisha rasilimali chache za nishati ya kisukuku. Inazidi kuwa vigumu kudumisha kasi ya juu ya maendeleo ya nishati kupitia matumizi ya vyanzo vya jadi vya nishati. Mada ya kazi yangu, "Mabadiliko ya Photovoltaic ya nishati ya jua," inafaa zaidi kwa wakati huu.

Kwa maoni yangu, maendeleo makubwa ya nishati ya photovoltaic yatatoa msukumo mkubwa kwa maendeleo ya maeneo ya Dunia yenye mionzi ya jua ya wastani ya kila mwaka.

Kagua

Katika muhtasari wa "Mabadiliko ya Photovoltaic ya nishati ya jua" Sergey alifunua kikamilifu mada iliyochaguliwa. Karatasi hii inachunguza masuala ya sasa ya ubadilishaji wa nishati ya jua: joto la moja kwa moja la joto na ubadilishaji wa picha.

Kupanua mada, S. Zagatin inategemea kazi za A.F. Ioff. Katika kazi yake, anachunguza matumizi ya seli za semiconductor photovoltaic katika nishati ya jua, historia ya matumizi ya betri za jua, pamoja na mchakato wa kuibuka kwa photoEMF.

Kazi ya Sergei ina uadilifu wa kimantiki, kiasi cha sehemu za muhtasari ni thabiti. Uwasilishaji wa nyenzo ni wa kisayansi na wa kuvutia, unaoonyeshwa na michoro. Kuna tathmini ya kibinafsi ya suala linalosomwa.

Katika kujitayarisha kwa muhtasari, kiasi cha kutosha cha fasihi kilitumiwa.

Ninaona kuwa inawezekana kutathmini kazi iliyofanywa na S. Zagatin

hadi "5".

Msimamizi

Mtini.9. Seli ya jua kama mfano wa ubadilishaji wa photovoltaic

Vigeuzi vya Photoconductive

Waongofu hawa hubadilisha mabadiliko katika kiasi cha kipimo katika mabadiliko ya upinzani wa nyenzo zinazotumiwa (Mchoro 8). Ingawa nyenzo zinazotumiwa ni halvledare, vigeuzi vya fotokondukta si mara zote halvledare kwa sababu havina mipito kati ya aina tofauti za halvledare. Waongofu vile huitwa passive, i.e. haja ya nguvu ya nje. Mara nyingi jina lao linaonyesha aina ya ubadilishaji unaotumiwa, kwa mfano vipinga vya picha.

Upinzani wa nyenzo ni kazi ya wiani wa flygbolag nyingi za malipo, na tangu wiani huongezeka kwa kuongezeka kwa nguvu ya mionzi, conductivity huongezeka. Kwa kuwa conductivity ni kinyume chake na upinzani, inaweza kuhitimishwa kuwa upinzani ni kazi ya kinyume ya nguvu ya mionzi. Thamani ya upinzani chini ya mionzi kamili kwa ujumla ni 100-200 Ohms, na katika giza kamili upinzani huu ni sawa na megaohms. Vifaa vinavyotumiwa zaidi katika kubuni ya vipinga vinavyotegemea mwanga ni cadmium sulfide au cadmium selenide.

Seli za jua

Seli za jua ni waongofu wa photovoltaic ambao hubadilisha nishati ya umeme iliyotolewa katika nishati ya umeme, i.e. mabadiliko katika thamani ya mionzi iliyopimwa inabadilishwa kuwa mabadiliko katika voltage ya pato (Mchoro 9).

Ubunifu wa kibadilishaji ni pamoja na safu ya nyenzo zenye upinzani wa juu wa picha zilizowekwa kati ya elektroni mbili za conductive. Moja ya elektroni hutengenezwa kwa nyenzo ya uwazi ambayo mionzi hupita na kugonga nyenzo za picha. Inapoangaziwa kikamilifu, kipengele kimoja hutoa voltage ya pato kati ya elektroni ya karibu 0.5 V.

Kama sheria, semiconductor valve photocells (photocells na safu ya kuzuia) hutumiwa kama safu ya photoelectric (Mchoro 9). Angalia: Ubunifu wa seli za picha za valve

Moja ya vigezo muhimu zaidi vya photocell, ambayo hutumiwa kama chanzo cha nishati ya umeme, ni sababu ya ufanisi (ufanisi). Ufanisi wa seli ya jua ni uwiano wa nguvu ya juu ya sasa ya umeme ambayo inaweza kupatikana kutoka kwa photocell hadi nguvu ya tukio la mionzi ya mwanga kwenye photocell. Ufanisi mkubwa zaidi, sehemu kubwa ya wigo wa mwanga ambayo inashiriki katika kizazi cha flygbolag za sasa. Mojawapo ya njia za kuongeza ufanisi wa seli za jua ni kuunda seli za picha na sifa pana zaidi za spectral. Seli za picha zilizotengenezwa na silicon zina ufanisi wa hadi 12%. Photocells kulingana na misombo ya gallium arsenide ina ufanisi wa hadi 20%.

Aina nyingi za nishati mbadala - nishati ya maji, mitambo na nishati ya joto kutoka kwa bahari ya dunia, upepo na nishati ya jotoardhi - ina sifa ya uwezo mdogo au matatizo makubwa katika matumizi makubwa. Uwezo wa jumla wa vyanzo vingi vya nishati mbadala utaongeza matumizi ya nishati kutoka viwango vya sasa kwa mpangilio wa ukubwa tu. Lakini kuna chanzo kingine cha nishati - Jua. Jua, nyota ya darasa la spectral 2, kibete cha njano, ni nyota ya wastani sana katika vigezo vyake vyote kuu: wingi, radius, joto na ukubwa kabisa. Lakini nyota hii ina sifa moja ya kipekee - ni "nyota yetu", na ubinadamu unadaiwa uwepo wake wote kwa nyota hii ya wastani. Nyota yetu huipatia Dunia nguvu ya takriban 10 17 W - hiyo ni nguvu ya "sungura wa jua" na kipenyo cha kilomita 12.7,000, ambayo huangazia kila mara upande wa sayari yetu inayoelekea Jua. Ukali wa mwanga wa jua kwenye usawa wa bahari katika latitudo za kusini, wakati Jua liko kwenye kilele chake, ni 1 kW/m2. Kwa kutengeneza mbinu bora za kubadilisha nishati ya jua, Jua linaweza kutoa mahitaji ya nishati yanayokua kwa kasi kwa mamia ya miaka.

Hoja za wapinzani wa matumizi makubwa ya nishati ya jua huchemka kwa hoja zifuatazo:

1. Nguvu maalum ya mionzi ya jua ni ndogo, na ubadilishaji mkubwa wa nishati ya jua utahitaji maeneo makubwa sana.

2. Kubadilisha nishati ya jua ni ghali sana na kunahitaji nyenzo zisizo za kweli na gharama za kazi.

Kwa kweli, eneo la Dunia linalofunikwa na mifumo ya kubadilisha fedha litakuwa kubwa kiasi gani ili kutoa sehemu kubwa ya umeme katika bajeti ya nishati ya kimataifa? Kwa wazi, eneo hili linategemea ufanisi wa mifumo ya kubadilisha fedha inayotumiwa. Ili kutathmini ufanisi wa vigeuzi vya photovoltaic ambavyo hubadilisha moja kwa moja nishati ya jua kuwa nishati ya umeme kwa kutumia seli za semiconductor, tunatanguliza dhana ya mgawo wa utendaji (ufanisi) wa seli ya picha, inayofafanuliwa kama uwiano wa nguvu ya umeme inayozalishwa na kipengele fulani kwa nguvu ya tukio la mwanga wa jua kwenye uso wa seli ya picha. Kwa hivyo, kwa ufanisi wa vibadilishaji vya jua sawa na 10% (thamani za kawaida za ufanisi kwa seli za silicon, zinazotumiwa sana katika uzalishaji wa serial wa viwanda kwa mahitaji ya nishati ya msingi), ili kuzalisha 10 12 W ya umeme itakuwa muhimu. funika eneo la 4 * 10 10 m 2 na vibadilishaji picha sawa na mraba na upande wa kilomita 200. Katika kesi hii, nguvu ya mionzi ya jua inachukuliwa kuwa 250 W / m 2, ambayo inalingana na thamani ya wastani ya mwaka mzima kwa latitudo za kusini. Hiyo ni, "wiani mdogo" wa mionzi ya jua sio kikwazo kwa maendeleo ya nishati kubwa ya jua.

Miongozo kuu ya kazi katika uwanja wa ubadilishaji wa nishati ya jua kwa sasa ni:

- inapokanzwa moja kwa moja ya mafuta (kupokea nishati ya joto) na ubadilishaji wa thermodynamic (kupokea nishati ya umeme na ubadilishaji wa kati wa nishati ya jua kuwa joto);

- ubadilishaji wa picha ya nishati ya jua.

Katika ulimwengu sasa, mimea ya kawaida ya nishati ya jua ya jua ni ya aina mbili: 1) aina ya mnara na mkusanyiko wa nishati ya jua kwenye mpokeaji mmoja wa jua, uliofanywa kwa kutumia idadi kubwa ya vioo vya gorofa; 2) mifumo iliyotawanyika ya paraboloids na mitungi ya parabolic, kwa kuzingatia ambayo wapokeaji wa joto na waongofu wa chini wa nguvu ziko.

2. MAENDELEO YA NISHATI YA JUA

Mwishoni mwa miaka ya 70 na mwanzoni mwa miaka ya 80, mitambo saba ya majaribio ya umeme wa jua (SPPs) ya aina inayoitwa mnara na kiwango cha nguvu cha MW 0.5 hadi 10 ilijengwa katika nchi tofauti za ulimwengu. Kiwanda kikubwa zaidi cha umeme wa jua chenye uwezo wa MW 10 (Solar One) kilijengwa California. Mitambo hii yote ya nishati ya jua imejengwa kwa kanuni sawa: uwanja wa vioo vya heliostat vilivyowekwa kwenye usawa wa ardhi ambao hufuatilia jua huakisi miale ya jua kwenye kipokezi kilichowekwa juu ya mnara wa juu kiasi. Mpokeaji ni, kwa asili, boiler ya jua ambayo mvuke wa maji ya vigezo vya wastani huzalishwa, ambayo hutumwa kwa turbine ya kawaida ya mvuke.

Kwa wakati huu, hakuna hata SPP hizi ambazo hazifanyi kazi tena, kwa kuwa programu za utafiti zilizopangwa kwao zimekamilika, na uendeshaji wao kama mitambo ya kibiashara umegeuka kuwa hauna faida. Mnamo mwaka wa 1992, Kampuni ya Edison Kusini mwa California ilianzisha muungano wa makampuni ya nishati na viwanda ambayo, pamoja na Idara ya Nishati ya Marekani, ilifadhili mradi wa kituo cha kuzalisha umeme cha Solar Two Towers kwa kujenga upya Solar One. Nguvu ya Sola Mbili kulingana na mradi inapaswa kuwa MW 10, ambayo ni, kubaki sawa na hapo awali. Wazo kuu la ujenzi uliopangwa ni kuchukua nafasi ya kipokeaji kilichopo na uzalishaji wa moja kwa moja wa mvuke wa maji na kipokeaji kilicho na baridi ya kati (chumvi za nitrate). Muundo wa mtambo wa nishati ya jua utajumuisha tanki la kuhifadhia nitrati badala ya betri ya changarawe inayotumika kwenye Solar One yenye mafuta ya halijoto ya juu kama kipozezi. Uzinduzi wa mtambo wa nishati ya jua uliojengwa upya ulipangwa kwa 1996. Watengenezaji wanaiona kama mfano, ambayo itaruhusu uundaji wa mtambo wa nishati ya jua na uwezo wa MW 100 katika hatua inayofuata. Inachukuliwa kuwa kwa kiwango hiki, mmea wa nishati ya jua wa aina hii utakuwa na ushindani na mitambo ya nguvu ya joto kwa kutumia mafuta ya mafuta.

Mradi wa pili, mtambo wa umeme wa jua wa PHOEBUS tower, unatekelezwa na muungano wa Ujerumani. Mradi huo unahusisha uundaji wa mtambo wa mseto wa maonyesho (solar-fuel) wa umeme wa jua wenye uwezo wa MW 30 na kipokezi cha ujazo ambamo hewa ya angahewa itapashwa, ambayo hutumwa kwa boiler ya mvuke, ambapo mvuke wa maji hutolewa; ambayo inafanya kazi katika mzunguko wa Rankine. Kwenye njia ya hewa kutoka kwa mpokeaji hadi kwenye boiler, burner inapaswa kuchoma gesi asilia, ambayo kiasi chake kinadhibitiwa ili kudumisha nguvu maalum wakati wa mchana. Mahesabu yanaonyesha kwamba, kwa mfano, kwa mionzi ya jua ya kila mwaka ya 6.5 GJ/m2 (sawa na ile ya kawaida kwa mikoa ya kusini ya Ukraine), mmea huu wa nishati ya jua, ambao una jumla ya uso wa heliostat wa 160 elfu m2, utapokea 290.2 GW. *h/mwaka wa nishati ya jua, na kiasi cha nishati inayochangiwa na mafuta kitakuwa 176.0 GWh/mwaka. Wakati huo huo, kituo cha nishati ya jua kitazalisha 87.9 GWh ya umeme kwa mwaka na ufanisi wa wastani wa 18.8%. Kwa viashiria hivyo, gharama ya umeme inayozalishwa kwenye mtambo wa nishati ya jua inaweza kutarajiwa kuwa katika kiwango cha mitambo ya nguvu ya joto kwa kutumia mafuta ya mafuta.

Tangu katikati ya miaka ya 80, Kusini mwa California, kampuni ya LUZ imeunda na kuweka katika operesheni ya kibiashara mitambo tisa ya nishati ya jua yenye viunganishi vya silinda ya kimfano (PCC) yenye uwezo wa kitengo ambacho kiliongezeka kutoka mtambo wa kwanza wa umeme wa jua hadi mwingine kutoka 13.8 hadi 80 MW. . Jumla ya uwezo wa mitambo hii ya nishati ya jua ilifikia MW 350. Katika SES hizi, PCC zilizo na aperture zilitumiwa, ambazo ziliongezeka wakati wa mpito kutoka kwa SES ya kwanza hadi inayofuata. Kwa kufuatilia jua kwenye mhimili mmoja, viunganishi huelekeza mionzi ya jua kwenye vipokezi vya neli vilivyofungwa kwenye mirija iliyohamishwa. Kioevu cha kupozea chenye joto la juu hutiririka ndani ya kipokezi, ambacho hupasha joto hadi 380°C na kisha kuhamisha joto la mvuke wa maji hadi kwa jenereta ya mvuke. Muundo wa mitambo hii ya nishati ya jua pia hutoa mwako wa kiasi fulani cha gesi asilia katika jenereta ya mvuke ili kuzalisha umeme wa kilele cha ziada, na pia kulipa fidia kwa insolation iliyopunguzwa.

Mitambo hii ya nishati ya jua iliundwa na kuendeshwa wakati ambapo kulikuwa na sheria nchini Marekani ambazo ziliruhusu mitambo ya nishati ya jua kufanya kazi kwa kuvunja. Kumalizika kwa sheria hizi mwishoni mwa miaka ya 80 kulisababisha ukweli kwamba kampuni ya LUZ ilifilisika, na ujenzi wa mitambo mpya ya nishati ya jua ya aina hii ilisimamishwa.

KJC (Kampuni ya Kramer Junction), iliyoendesha mitambo mitano kati ya tisa ya nishati ya jua iliyojengwa (kutoka 3 hadi 7), ilijiwekea kazi ya kuongeza ufanisi wa mitambo hii ya nishati ya jua, kupunguza gharama za uendeshaji wake na kuifanya kuvutia kiuchumi. katika hali mpya. Mpango huu kwa sasa unatekelezwa kwa ufanisi.

Uswizi imekuwa moja ya viongozi katika matumizi ya nishati ya jua. Kwa mujibu wa data kutoka 1997, takriban mitambo 2,600 ya jua kulingana na vibadilishaji vya photoelectric yenye uwezo wa 1 hadi 1,000 kW ilijengwa hapa. Mpango huo, unaoitwa "Solar-91" na uliofanywa chini ya kauli mbiu "Kwa Uswizi inayojitegemea nishati," inatoa mchango mkubwa katika kutatua matatizo ya mazingira na uhuru wa nishati wa nchi ambayo leo inaagiza zaidi ya 70% ya nishati yake. Kiwanda cha nguvu cha jua chenye uwezo wa 2-3 kW mara nyingi huwekwa kwenye paa na facade za majengo. Ufungaji huu huzalisha wastani wa kWh 2,000 za umeme kwa mwaka, ambayo ni ya kutosha kwa mahitaji ya ndani ya nyumba ya wastani ya Uswisi. Makampuni makubwa huweka mitambo ya jua yenye uwezo wa hadi 300 kW kwenye paa za majengo ya uzalishaji. Kituo kama hicho kinashughulikia mahitaji ya umeme ya biashara kwa 50-60%.

Katika nyanda za juu za Alpine, ambapo hakuna faida kuweka nyaya za umeme, mitambo ya nishati ya jua yenye nguvu nyingi pia inajengwa. Uzoefu wa uendeshaji unaonyesha kuwa Jua tayari linaweza kukidhi mahitaji ya majengo yote ya makazi nchini. Ufungaji wa jua, ziko juu ya paa na kuta za nyumba, juu ya vikwazo vya kelele vya barabara kuu, kwenye usafiri na miundo ya viwanda, hauhitaji eneo la kilimo la gharama kubwa kwa kuwekwa kwao. Ufungaji wa jua unaojitegemea karibu na kijiji cha Grimsel hutoa umeme kwa taa ya saa-saa ya handaki la barabarani. Karibu na mji wa Shur, paneli za jua zilizowekwa kwenye sehemu ya mita 700 ya kizuizi cha kelele hutoa kW 100 za umeme kila mwaka.

Dhana ya kisasa ya kutumia nishati ya jua ilionyeshwa kikamilifu wakati wa ujenzi wa majengo ya kiwanda cha kioo cha dirisha huko Arisdorf, ambapo paneli za jua zenye nguvu ya jumla ya kW 50 zilipewa jukumu la ziada wakati wa kubuni kama vipengele vya sakafu na facade. Ufanisi wa vibadilishaji jua hupungua kwa njia ya joto kali, kwa hivyo mabomba ya uingizaji hewa huwekwa chini ya paneli ili kusukuma hewa nje. Vibadilishaji picha vya rangi ya samawati iliyokolea vinavyometa kwenye jua kwenye uso wa kusini na magharibi wa jengo la utawala, vinavyosambaza umeme kwenye mtandao, hufanya kama vifuniko vya mapambo.

Katika nchi zinazoendelea, mitambo ndogo hutumiwa kusambaza umeme kwa nyumba za kibinafsi, katika vijiji vya mbali ili kuandaa vituo vya kitamaduni, ambapo, shukrani kwa PMTs, unaweza kutumia televisheni, nk Katika kesi hii, sio gharama ya umeme inayokuja. mbele, lakini athari ya kijamii. Mipango ya kuanzishwa kwa photovoltais katika nchi hizi inaungwa mkono kikamilifu na mashirika ya kimataifa; Kwa mfano, nchini Kenya katika kipindi cha miaka 5 iliyopita, nyumba 20,000 za mashambani zimewekewa umeme kwa msaada wa photovoltaics. Mpango mkubwa wa kuanzishwa kwa photomultipliers unatekelezwa nchini India, ambapo mwaka 1986 - 1992. Rupia milioni 690 zilitumika kusakinisha PMTs katika maeneo ya vijijini.

Katika nchi zilizoendelea, utekelezaji wa kazi wa photomultipliers unaelezewa na mambo kadhaa. Kwanza, PMTs huchukuliwa kuwa vyanzo rafiki kwa mazingira ambavyo vinaweza kupunguza athari mbaya kwa mazingira. Pili, matumizi ya PMTs katika nyumba za kibinafsi huongeza uhuru wa nishati na hulinda mmiliki katika tukio la usumbufu unaowezekana katika usambazaji wa umeme wa kati.

3. MABADILIKO YA PICHA YA NISHATI YA JUA

Msingi wa seli za picha ni muundo wa semiconductor na makutano ya p-n ambayo inaonekana kwenye kiolesura cha semiconductors mbili zilizo na mifumo tofauti ya upitishaji. Kumbuka kwamba istilahi hii inatokana na maneno ya Kiingereza chanya (chanya) na hasi (hasi). Aina mbalimbali za conductivity zinapatikana kwa kubadilisha aina ya uchafu iliyoletwa kwenye semiconductor. Kwa mfano, atomi za kikundi cha III cha Jedwali la Periodic D.I. Mendeleev, iliyoletwa kwenye kimiani ya kioo ya silicon, inatoa shimo la mwisho (chanya) conductivity, na uchafu wa kikundi V - elektroniki (hasi). Mawasiliano ya p au n semiconductors husababisha kuundwa kwa uwanja wa umeme wa mawasiliano kati yao, ambayo ina jukumu muhimu sana katika uendeshaji wa photocell ya jua. Wacha tueleze sababu ya kutokea kwa tofauti inayoweza kutokea ya mawasiliano. Wakati semiconductor za p- na n-aina zinajumuishwa katika fuwele moja, mtiririko wa kuenea kwa elektroni hutokea kutoka kwa semiconductor ya aina ya n hadi semiconductor ya aina ya p na, kinyume chake, mtiririko wa mashimo kutoka p- hadi n-semiconductor. Kwa matokeo ya mchakato huu, sehemu ya semiconductor ya aina ya p iliyo karibu na makutano ya p-n itashtakiwa vibaya, na sehemu ya semiconductor ya aina ya n iliyo karibu na makutano ya p-n, kinyume chake, itapata malipo mazuri. Kwa hivyo, safu ya kushtakiwa mara mbili huundwa karibu na makutano ya p-n, ambayo inakabiliana na mchakato wa kuenea kwa elektroni na mashimo. Hakika, uenezi huelekea kuunda mtiririko wa elektroni kutoka eneo la n hadi eneo la p, na shamba la safu ya kushtakiwa, kinyume chake, inarudi elektroni kwenye eneo la n. Vile vile, shamba katika makutano ya pn inakabiliana na uenezaji wa mashimo kutoka p- hadi n-eneo. Kama matokeo ya michakato miwili inayofanya kazi kwa mwelekeo tofauti (usambazaji na harakati za wabebaji wa sasa kwenye uwanja wa umeme), hali ya utulivu, ya usawa imeanzishwa: safu ya kushtakiwa inaonekana kwenye mpaka, kuzuia kupenya kwa elektroni kutoka kwa n-semiconductor na. mashimo kutoka kwa p-semiconductor. Kwa maneno mengine, katika eneo la makutano ya p-n kizuizi cha nishati (uwezo) kinatokea, kushinda ambayo elektroni kutoka kwa n-semiconductor na mashimo kutoka kwa p-semiconductor lazima kutumia nishati fulani. Bila kuacha kuelezea sifa za umeme za makutano ya pn, ambayo hutumiwa sana katika rectifiers, transistors na vifaa vingine vya semiconductor, hebu tuchunguze uendeshaji wa pn junction katika photocells.

Wakati mwanga unaingizwa kwenye semiconductor, jozi za shimo la elektroni husisimka. Katika semiconductor yenye homogeneous, msisimko wa picha huongeza tu nishati ya elektroni na mashimo bila kuwatenganisha katika nafasi, yaani, elektroni na mashimo hutenganishwa katika "nafasi ya nishati" lakini hubakia karibu pamoja katika nafasi ya kijiometri. Kwa kujitenga kwa flygbolag za sasa na kuonekana kwa nguvu ya photoelectromotive (pichaEMF), nguvu ya ziada lazima iwepo. Kutenganishwa kwa ufanisi zaidi kwa flygbolag zisizo na usawa hutokea kwa usahihi katika eneo la makutano ya pn. Wabebaji wa "wachache" wanaozalishwa karibu na makutano ya p-n (mashimo katika semiconductor n na elektroni katika p-semiconductor) huenea kwenye makutano ya p-n, huchukuliwa na uwanja wa makutano ya p-n na kutupwa kwenye semiconductor, ambayo huwa. wabebaji wengi: elektroni zitawekwa ndani katika semicondukta ya aina ya n, na mashimo kwenye semicondukta ya aina ya p. Matokeo yake, semiconductor ya aina ya p inapata malipo mazuri ya ziada, na semiconductor ya aina ya n inapata malipo hasi. Tofauti inayoweza kutokea—pichaEMF—hutokea kati ya maeneo ya n- na p ya fotocell. Polarity ya pichaEMF inalingana na upendeleo wa "mbele" wa makutano ya p-n, ambayo hupunguza urefu wa kizuizi na kukuza sindano ya mashimo kutoka eneo la p hadi eneo la n na elektroni kutoka eneo la n hadi p-kanda. . Kama matokeo ya hatua ya mifumo hii miwili ya kinyume - mkusanyiko wa flygbolag za sasa chini ya ushawishi wa mwanga na outflow yao kutokana na kupungua kwa urefu wa kizuizi kinachowezekana - kwa nguvu tofauti za mwanga, maadili tofauti ya photovoltage yanaanzishwa. Katika kesi hii, thamani ya photovoltage katika aina mbalimbali za mwanga huongezeka kwa uwiano wa logarithm ya mwanga wa mwanga. Kwa mwanga wa juu sana, wakati kizuizi kinachowezekana kinageuka kuwa sifuri, thamani ya photoEMF hufikia "kueneza" na inakuwa sawa na urefu wa kizuizi kwenye makutano ya p-n isiyo na mwanga. Inapofunuliwa kwa moja kwa moja, pamoja na mionzi ya jua iliyojilimbikizia hadi mara 100-1000, thamani ya photoEMF ni 50-85% ya tofauti ya uwezo wa kuwasiliana wa makutano ya p-n.

Kwa hivyo, mchakato wa tukio la photovoltage ambayo hutokea kwenye mawasiliano ya p- na n-mikoa ya makutano ya p-n inazingatiwa. Wakati makutano ya pn yaliyoangaziwa yana mzunguko mfupi, mkondo wa sasa utapita katika mzunguko wa umeme unaolingana na kiwango cha kuangaza na idadi ya jozi za shimo la elektroni zinazozalishwa na mwanga. Wakati mzigo wa malipo, kama vile kikokotoo kinachoendeshwa na betri ya jua, umeunganishwa kwenye mzunguko wa umeme, sasa katika saketi itapungua kidogo. Kwa kawaida, upinzani wa umeme wa mzigo wa malipo katika mzunguko wa seli za jua huchaguliwa ili kupata nguvu ya juu ya umeme iliyotolewa kwa mzigo huu.

Photocell ya jua imetengenezwa kutoka kwa kaki iliyotengenezwa kwa nyenzo ya semiconductor, kama vile silikoni. Mikoa yenye p- na n-aina ya conductivity huundwa katika sahani. Njia za kuunda maeneo haya ni pamoja na, kwa mfano, njia ya kueneza uchafu au njia ya kukuza semiconductor moja hadi nyingine. Kisha miunganisho ya umeme ya chini na ya juu hufanywa, na mguso wa chini ukiwa thabiti, na mguso wa juu unafanywa kwa muundo wa sega (vipande vyembamba vilivyounganishwa na basi ya sasa ya kukusanya pana kiasi).

Hadi hivi majuzi, seli za jua kwa matumizi ya ardhini, na vile vile kwa matumizi ya nafasi, zilitengenezwa kwa msingi wa silicon ya bei ghali ya monocrystalline. Kupunguza gharama ya silicon ya awali, maendeleo ya mbinu za juu za utendaji kwa ajili ya utengenezaji wa kaki kutoka kwa ingots na teknolojia za juu za utengenezaji wa seli za jua zimefanya iwezekanavyo kupunguza gharama ya seli za jua za msingi wa ardhi kulingana na wao mara kadhaa. Maeneo makuu ya kazi ili kupunguza zaidi gharama za umeme wa jua ni: kupata vipengele kulingana na bei nafuu, ikiwa ni pamoja na strip, polycrystalline silicon; maendeleo ya vipengele vya bei nafuu vya filamu nyembamba kulingana na silicon ya amorphous na vifaa vingine vya semiconductor; Kubadilisha mionzi ya jua iliyokolea kwa kutumia vipengee vyenye msingi wa silicon na nyenzo mpya kiasi ya alumini-gallium-arseniki ya semicondukta.

Lens ya Fresnel ni sahani iliyofanywa kwa plexiglass 1-3 mm nene, upande mmoja ambao ni gorofa, na kwa upande mwingine kuna wasifu kwa namna ya pete za kuzingatia, kurudia wasifu wa lens convex. Lensi za Fresnel ni nafuu sana kuliko lensi za kawaida za convex na hutoa kiwango cha mkusanyiko wa "jua" 2 - 3 elfu.

Katika miaka ya hivi karibuni, maendeleo makubwa yamepatikana ulimwenguni katika ukuzaji wa seli za jua za silicon ambazo hufanya kazi chini ya miale ya jua iliyokolea. Vipengele vya silicon vilivyo na ufanisi> 25% vimeundwa chini ya hali ya mionzi kwenye uso wa Dunia kwa kiwango cha mkusanyiko wa "jua" 20 - 50. Viwango vikubwa zaidi vya umakini vinaruhusiwa na seli za picha kulingana na nyenzo za semiconductor alumini-gallium-arseniki, iliyoundwa kwanza katika Taasisi ya Fizikia-Kiufundi. A.F. Ioff mnamo 1969. Katika seli kama hizo za jua, maadili ya ufanisi> 25% hupatikana katika viwango vya mkusanyiko hadi mara 1000. Licha ya gharama kubwa ya vipengele vile, mchango wao kwa gharama ya umeme unaozalishwa haufanyiki kuwa maamuzi kwa viwango vya juu vya mkusanyiko wa mionzi ya jua kutokana na kupunguzwa kwa kiasi kikubwa (hadi mara 1000) katika eneo lao. Hali ambayo gharama ya seli za picha haitoi mchango mkubwa kwa gharama ya jumla ya usakinishaji wa nishati ya jua hufanya iwe na haki ya kugumu na kuongeza gharama ya photocell ikiwa hii inahakikisha kuongezeka kwa ufanisi. Hii inaelezea tahadhari ya sasa inayolipwa kwa maendeleo ya seli za jua zilizopigwa, ambazo hufanya iwezekanavyo kufikia ongezeko kubwa la ufanisi. Katika seli ya jua ya kuteleza, wigo wa jua umegawanywa katika sehemu mbili (au zaidi), kwa mfano, inayoonekana na ya infrared, ambayo kila moja inabadilishwa kwa kutumia seli za picha zilizotengenezwa kutoka kwa nyenzo tofauti. Katika kesi hiyo, hasara za nishati ya quanta ya mionzi ya jua hupunguzwa. Kwa mfano, katika cascades ya vipengele viwili thamani ya ufanisi wa kinadharia inazidi 40%.

Vifaa vya ufanisi zaidi vya nishati kwa kubadilisha nishati ya jua kuwa nishati ya umeme (kwa kuwa hii ni mpito wa moja kwa moja, wa hatua moja ya nishati) ni vibadilishaji vya semiconductor photovoltaic (PVCs). Kwa hali ya joto ya usawa ya seli za jua za mpangilio wa 300-350 Kelvin na joto la jua la ~ 6000 K, ufanisi wao wa juu wa kinadharia ni> 90%. Hii inamaanisha kuwa, kama matokeo ya kuboresha muundo na vigezo vya kibadilishaji, kwa lengo la kupunguza upotezaji wa nishati isiyoweza kurekebishwa, itawezekana kuongeza ufanisi wa vitendo hadi 50% au zaidi (katika maabara, ufanisi wa 40% tayari umekwisha. imepatikana).

Utafiti wa kinadharia na maendeleo ya vitendo katika uwanja wa ubadilishaji wa photovoltaic wa nishati ya jua imethibitisha uwezekano wa kufikia maadili ya juu ya ufanisi na seli za jua na kutambua njia kuu za kufikia lengo hili.

Ubadilishaji wa nishati katika seli za PV unategemea athari ya photovoltaic, ambayo hutokea katika miundo ya semiconductor inhomogeneous wakati inakabiliwa na mionzi ya jua Tofauti ya muundo wa seli ya PV inaweza kupatikana kwa doping semiconductor sawa na uchafu mbalimbali (kuunda makutano ya p-n) au kwa kuunganisha. semiconductors tofauti na upana wa pengo la bendi isiyo sawa - nishati ya uondoaji wa elektroni kutoka kwa atomi (uundaji wa heterojunctions), au kutokana na mabadiliko katika muundo wa kemikali wa semiconductor, na kusababisha kuonekana kwa gradient ya upana wa pengo la bendi (uundaji wa daraja- miundo ya pengo). Mchanganyiko anuwai wa njia zilizo hapo juu pia zinawezekana. Ufanisi wa uongofu unategemea sifa za umeme za muundo wa semiconductor inhomogeneous, pamoja na mali ya macho ya kiini cha jua, kati ya ambayo jukumu muhimu zaidi linachezwa na photoconductivity, inayosababishwa na athari ya ndani ya photoelectric katika semiconductors wakati inawaka na jua. Kanuni ya uendeshaji wa seli za PV inaweza kuelezewa kwa kutumia mfano wa waongofu na makutano ya p-n, ambayo hutumiwa sana katika nishati ya kisasa ya jua na nafasi. Makutano ya shimo la elektroni huundwa kwa kutumia doping ya kaki ya nyenzo ya semiconductor ya fuwele moja na aina fulani ya upitishaji (yaani, ama p- au n-aina) na uchafu, kuhakikisha uundaji wa safu ya uso na conductivity ya kinyume. aina. Mkusanyiko wa dopant katika safu hii lazima iwe juu zaidi kuliko mkusanyiko wa dopant katika nyenzo za msingi (fuwele moja asilia) ili kugeuza watoa huduma kuu wa malipo ya bure waliopo hapo na kuunda upitishaji wa ishara tofauti. Katika mpaka wa n- na p-tabaka, kama matokeo ya mtiririko wa malipo, kanda zilizopungua huundwa na malipo ya chanya ya volumetric isiyolipwa katika safu ya n na malipo hasi ya volumetric katika safu ya p. Kanda hizi kwa pamoja huunda makutano ya p-n. Kizuizi kinachowezekana (tofauti ya uwezo wa mawasiliano) inayoonekana kwenye mpito inazuia kifungu cha waendeshaji wakuu wa malipo, i.e. elektroni kutoka upande wa p-safu, lakini kwa uhuru kuruhusu flygbolag wachache kupita katika mwelekeo tofauti. Mali hii ya makutano ya p-n huamua uwezekano wa kupata picha-emf wakati wa kuwasha kiini cha jua na jua. Vibeba vya malipo visivyo na usawa (jozi za shimo la elektroni) iliyoundwa na mwanga katika tabaka zote mbili za seli ya photovoltaic hutenganishwa kwenye makutano ya p-n: wabebaji wachache (yaani elektroni) hupitia makutano kwa uhuru, na wabebaji wengi (mashimo) huhifadhiwa. Kwa hiyo, chini ya ushawishi wa mionzi ya jua, sasa ya flygbolag zisizo na usawa za malipo ya wachache - photoelectrons na photoholes - itapita kupitia makutano ya p-n kwa pande zote mbili, ambayo ndiyo hasa inahitajika kwa uendeshaji wa seli ya jua. Ikiwa sasa tunafunga mzunguko wa nje, basi elektroni kutoka kwa safu ya n, baada ya kufanya kazi kwenye mzigo, itarudi kwenye safu ya p na huko kuunganisha (kuunganisha) na mashimo yanayotembea ndani ya seli ya jua kinyume chake. Kukusanya na kuondoa elektroni kwenye mzunguko wa nje, kuna mfumo wa mawasiliano kwenye uso wa muundo wa semiconductor wa seli ya jua. Kwenye uso wa mbele, ulioangaziwa wa kibadilishaji, mawasiliano hufanywa kwa namna ya gridi ya taifa au kuchana, na kwa upande wa nyuma wanaweza kuwa thabiti. Hasara kuu za nishati zisizoweza kutenduliwa katika seli za jua zinahusishwa na:

Ш tafakari ya mionzi ya jua kutoka kwa uso wa kibadilishaji,
Ш kwa kupitisha sehemu ya mionzi kupitia seli ya photovoltaic bila kunyonya ndani yake,
Ш kutawanya kwa nishati ya ziada ya photoni kwenye mitetemo ya mafuta ya kimiani,
Ш mchanganyiko wa picha zilizoundwa kwenye nyuso na kwa kiasi cha seli ya photovoltaic,
Ш upinzani wa ndani wa kibadilishaji,
Ш na michakato mingine ya kimwili.

Ili kupunguza aina zote za upotevu wa nishati katika mitambo ya nishati ya jua, hatua mbalimbali zinatengenezwa na kutumika kwa mafanikio. Hizi ni pamoja na:

b matumizi ya semiconductors na pengo la bendi bora kwa mionzi ya jua;

b uboreshaji unaolengwa wa mali ya muundo wa semiconductor kupitia doping yake bora na uundaji wa uwanja wa umeme uliojengwa;

b mpito kutoka kwa homogeneous hadi miundo ya semiconductor tofauti na ya daraja-pengo;

b uboreshaji wa vigezo vya muundo wa PV (kina cha makutano ya pn, unene wa safu ya msingi, mzunguko wa gridi ya mawasiliano, nk);

b matumizi ya mipako ya macho ya multifunctional ambayo hutoa antireflection, udhibiti wa joto na ulinzi wa seli za jua kutoka kwa mionzi ya cosmic;

b maendeleo ya seli za jua ambazo ni wazi katika eneo la wimbi la muda mrefu la wigo wa jua zaidi ya ukingo wa bendi kuu ya kunyonya;

b uundaji wa seli za jua za kuteleza kutoka kwa semiconductors zilizochaguliwa mahsusi kwa upana wao wa bendi, ikiwezekana kubadilisha katika kila mteremko mionzi ambayo imepitia mkondo uliopita, nk.

Pia, ongezeko kubwa la ufanisi wa seli za jua lilipatikana kupitia uundaji wa vibadilishaji vyenye unyeti wa pande mbili (hadi +80% ya ufanisi uliopo wa upande mmoja), utumiaji wa miundo ya kutoa tena luminescent, na ya awali. mtengano wa wigo wa jua katika kanda mbili au zaidi za spectral kwa kutumia vigawanyiko vya boriti za filamu nyingi (vioo vya dichroic ) na mabadiliko ya baadae ya kila sehemu ya wigo na seli tofauti ya photovoltaic, nk

Katika mifumo ya ubadilishaji wa nishati ya mimea ya nguvu ya jua (mimea ya nishati ya jua), kimsingi, aina yoyote ya seli za jua za miundo anuwai kulingana na vifaa anuwai vya semiconductor ambavyo vimeundwa na vinatengenezwa hivi sasa vinaweza kutumika, lakini sio zote zinazokidhi seti ya mahitaji ya mifumo hii:

· kuegemea juu kwa muda mrefu (makumi ya miaka!) Maisha ya huduma;
· upatikanaji wa nyenzo za chanzo kwa kiasi cha kutosha kwa ajili ya utengenezaji wa vipengele vya mfumo wa uongofu na uwezekano wa kuandaa uzalishaji wao wa wingi;
· gharama za nishati kwa kuunda mfumo wa ubadilishaji unaokubalika kutoka kwa mtazamo wa vipindi vya malipo;
· gharama ya chini ya nishati na wingi inayohusishwa na kusimamia ubadilishaji wa nishati na mfumo wa upitishaji (nafasi), ikijumuisha mwelekeo na uimarishaji wa kituo kwa ujumla;
· urahisi wa matengenezo.

Kwa mfano, baadhi ya vifaa vya kuahidi ni vigumu kupata kwa kiasi kinachohitajika kwa ajili ya kuundwa kwa mitambo ya nishati ya jua kutokana na hifadhi ndogo ya asili ya malighafi na utata wa usindikaji wao. Mbinu fulani za kuboresha nishati na sifa za uendeshaji wa seli za jua, kwa mfano, kwa kuunda miundo tata, haziendani vizuri na uwezekano wa kuandaa uzalishaji wao wa wingi kwa gharama ya chini, nk. Uzalishaji wa juu unaweza kupatikana tu kwa kuandaa uzalishaji wa PV wa automatiska kikamilifu, kwa mfano, kulingana na teknolojia ya tepi, na kuunda mtandao uliotengenezwa wa makampuni maalumu ya wasifu unaofaa, i.e. kwa kweli, sekta nzima, kulinganishwa kwa kiwango na sekta ya kisasa ya redio-elektroniki. Uzalishaji wa seli za jua na mkusanyiko wa seli za jua kwenye mistari ya kiotomatiki itapunguza gharama ya moduli ya betri kwa mara 2-2.5 kwa Silicon na gallium arsenide (GaAs) kwa sasa inachukuliwa kuwa nyenzo zinazowezekana zaidi kwa mifumo ya fotovoltaic ya kubadilisha nishati ya jua. nishati ya mimea ya nishati ya jua, na katika mwisho Katika kesi hii, tunazungumzia heterophotoconverters (HPCs) na muundo wa AlGaAs-GaAs.

FECs (vigeuzi vya photovoltaic) kulingana na kiwanja cha arseniki yenye gallium (GaAs), kama inavyojulikana, zina ufanisi wa juu zaidi wa kinadharia kuliko FEC za silicon, kwa kuwa upana wa bendgap yao kivitendo unalingana na upana bora zaidi wa bandgap kwa vibadilishaji vya nishati ya jua vya semicondukta =1 .4 eV. Kwa silicon, kiashiria hiki = 1.1 eV.

Kwa sababu ya kiwango cha juu cha ufyonzaji wa mionzi ya jua, iliyoamuliwa na mabadiliko ya moja kwa moja ya macho katika GaAs, seli za PV za ufanisi wa juu kulingana nazo zinaweza kupatikana kwa unene mdogo sana wa PV ikilinganishwa na silicon. Kimsingi, inatosha kuwa na unene wa GFP wa microns 5-6 ili kupata ufanisi wa utaratibu wa angalau 20%, wakati unene wa vipengele vya silicon hauwezi kuwa chini ya microns 50-100 bila kupungua kwa dhahiri kwa ufanisi wao. . Hali hii inaturuhusu kuhesabu uundaji wa filamu nyepesi za HFP, utengenezaji wake ambao utahitaji nyenzo kidogo za kuanzia, haswa ikiwa inawezekana kutumia sio GaAs kama sehemu ndogo, lakini nyenzo nyingine, kwa mfano, samafi ya syntetisk (Al 2). O 3).

GFC pia zina sifa zinazofaa zaidi za uendeshaji kulingana na mahitaji ya vigeuzi vya SES ikilinganishwa na seli za silicon PV. Kwa hivyo, haswa, uwezekano wa kufikia maadili madogo ya awali ya mikondo ya kueneza nyuma katika makutano ya p-n kwa sababu ya pengo kubwa la bendi hufanya iwezekanavyo kupunguza ukubwa wa viwango vya joto hasi vya ufanisi na nguvu bora ya HFP na, kwa kuongeza. , panua kwa kiasi kikubwa eneo la utegemezi wa mstari wa mwisho kwenye msongamano wa flux mwanga. Utegemezi wa majaribio wa ufanisi wa HFPs kwenye joto unaonyesha kuwa kuongeza joto la usawa la mwisho hadi 150-180 ° C haileti kupungua kwa ufanisi wao na nguvu maalum maalum. Wakati huo huo, kwa seli za jua za silicon, ongezeko la joto zaidi ya 60-70 ° C ni karibu muhimu - ufanisi hupungua kwa nusu.

Kwa sababu ya upinzani wao kwa joto la juu, seli za jua za gallium arsenide zinaweza kutumika kama vikolezo vya mionzi ya jua. Halijoto ya uendeshaji ya HFP inayotokana na GaAs hufikia 180 °C, ambayo tayari ni halijoto inayofanya kazi kwa injini za joto na mitambo ya mvuke. Kwa hivyo, kwa ufanisi wa asili wa 30% wa gallium arsenide HFPs (saa 150 ° C), tunaweza kuongeza ufanisi wa injini ya joto kwa kutumia joto la taka la kioevu kinachopoza seli za picha. Kwa hiyo, ufanisi wa jumla wa ufungaji, ambao pia hutumia mzunguko wa tatu wa uchimbaji wa joto la chini kutoka kwa baridi baada ya turbine ya kupokanzwa nafasi, inaweza kuwa kubwa zaidi kuliko 50-60%.

Pia, HFC zinazotegemea GaAs haziathiriwi sana na protoni na mtiririko wa elektroni zenye nishati nyingi kuliko FEC za silicon kutokana na kiwango cha juu cha ufyonzaji wa mwanga katika GaAs, pamoja na muda mdogo wa maisha unaohitajika na urefu wa usambaaji wa wabebaji wachache. Zaidi ya hayo, majaribio yameonyesha kuwa sehemu kubwa ya kasoro za mionzi katika HFPs zinazotegemea GaAs hupotea baada ya matibabu yao ya joto (kupungua) kwa joto la karibu 150-180 ° C. Ikiwa GaAs HFCs zinafanya kazi kila wakati kwa joto la 150 ° C, basi kiwango cha uharibifu wa mionzi ya ufanisi wao kitakuwa kidogo katika kipindi chote cha uendeshaji wa vituo (hii ni kweli hasa kwa mitambo ya nishati ya jua ya nafasi. ambayo uzito mdogo na ukubwa wa FEC na ufanisi wa juu ni muhimu) .

Kwa ujumla, tunaweza kuhitimisha kuwa nishati, wingi na sifa za uendeshaji za HFCs za GaAs zinalingana zaidi na mahitaji ya SES na SCES (nafasi) kuliko sifa za FEC za silicon. Hata hivyo, silicon ni nyenzo inayopatikana zaidi na inayotumiwa sana kuliko gallium arsenide. Silicon imeenea katika asili, na ugavi wa malighafi kwa ajili ya kujenga seli za jua kulingana na hilo ni karibu ukomo. Teknolojia ya utengenezaji wa seli za jua za silicon imeanzishwa vizuri na inaboreshwa kila wakati. Kuna matarajio halisi ya kupunguza gharama ya seli za jua za silicon kwa amri moja hadi mbili za ukubwa na kuanzishwa kwa mbinu mpya za uzalishaji wa automatiska, ambayo inafanya iwezekanavyo, hasa, kuzalisha kanda za silicon, seli za jua za eneo kubwa, nk.

Bei za betri za silicon photovoltaic zimepungua kwa miaka 25 kwa mara 20-30 kutoka dola 70-100/wati katika miaka ya sabini hadi dola 3.5/wati mwaka 2000 na zinaendelea kupungua zaidi. Katika nchi za Magharibi, mapinduzi katika sekta ya nishati yanatarajiwa wakati bei zinavuka alama ya dola 3. Kulingana na mahesabu fulani, hii inaweza kutokea mapema 2002, na kwa Urusi, na ushuru wa sasa wa nishati, wakati huu utakuja kwa bei ya watt 1 ya nishati ya jua ya dola 0.3-0.5, ambayo ni, kwa amri ya chini ya ukubwa. bei. Mambo yote yanayochukuliwa pamoja yana jukumu hapa: ushuru, hali ya hewa, latitudo za kijiografia, na uwezo wa serikali wa kupanga bei halisi na kufanya uwekezaji wa muda mrefu. Katika miundo halisi iliyo na heterojunctions, ufanisi leo unafikia zaidi ya 30%, na katika semiconductors zenye homogeneous kama vile silicon monocrystalline - hadi 18%. Ufanisi wa wastani katika seli za jua kulingana na silicon ya monocrystalline leo ni karibu 12%, ingawa hufikia 18%. Ni hasa silicon SB ambazo zinaweza kuonekana leo kwenye paa za nyumba duniani kote.

Tofauti na silicon, gallium ni nyenzo adimu sana, ambayo hupunguza uwezekano wa kutengeneza HFP zenye msingi wa GaAs kwa idadi inayohitajika kwa utekelezaji ulioenea.

Galliamu huchimbwa hasa kutoka kwa bauxite, lakini uwezekano wa kuipata kutoka kwa majivu ya makaa ya mawe na maji ya bahari pia huzingatiwa. Hifadhi kubwa zaidi ya gallium hupatikana katika maji ya bahari, lakini mkusanyiko huko ni mdogo sana, mavuno ya kurejesha inakadiriwa kuwa 1% tu na, kwa hiyo, gharama za uzalishaji zinaweza kuwa za kikwazo. Teknolojia ya utengenezaji wa HFP zenye msingi wa GaAs kwa kutumia njia za kioevu na gesi epitaxy (ukuaji unaoelekezwa wa fuwele moja kwenye uso wa nyingine (kwenye substrate) bado haijatengenezwa kwa kiwango sawa na teknolojia ya utengenezaji wa silicon PVS, na kwa sababu hiyo, gharama ya HFPs sasa ni kubwa zaidi (kwa maagizo) ya gharama ya seli za jua za silicon.

Katika spacecraft, ambapo chanzo kikuu cha sasa ni paneli za jua na ambapo uwiano wazi wa wingi, ukubwa na ufanisi ni muhimu sana, nyenzo kuu kwa jua. Betri, bila shaka, ni gallium arsenide. Uwezo wa kiwanja hiki katika seli za jua usipoteze ufanisi unapochomwa na mionzi ya jua iliyojilimbikizia mara 3-5 ni muhimu sana kwa mimea ya nishati ya jua ya nafasi, ambayo inapunguza hitaji la uhaba wa galliamu. Uwezo wa ziada wa kuokoa galliamu unahusishwa na matumizi ya yakuti sanisi (Al 2 O 3) kama sehemu ndogo ya HFP badala ya GaAs Gharama ya HFPs wakati wa uzalishaji wa wingi kulingana na teknolojia iliyoboreshwa pia itapunguzwa sana, na kwa ujumla gharama ya mfumo wa ubadilishaji wa nishati ya mfumo wa uongofu wa SES kulingana na GaAs HFP inaweza kuwa sawa kabisa na gharama ya mfumo wa msingi wa silicon. Kwa hivyo, kwa sasa, ni vigumu kutoa upendeleo wazi kwa moja ya vifaa viwili vya semiconductor vinavyozingatiwa - silicon au gallium arsenide, na maendeleo zaidi tu ya teknolojia ya uzalishaji wao itaonyesha ni chaguo gani litakuwa la busara zaidi kwa msingi wa ardhi na nafasi- kulingana na nishati ya jua. Kwa kadiri SBs huzalisha sasa ya moja kwa moja, kazi hutokea kwa kuibadilisha kuwa ya sasa ya viwanda 50 Hz, 220 V. Kundi maalum la vifaa - inverters - inakabiliana na kazi hii kikamilifu.

Wengi wetu tumekutana na seli za jua kwa njia moja au nyingine. Mtu ametumia au anatumia paneli za jua kuzalisha umeme kwa matumizi ya nyumbani, mtu anatumia paneli ndogo ya jua ili kuchaji kifaa anachopenda shambani, na mtu hakika ameona kiini kidogo cha jua kwenye kikokotozi kidogo. Baadhi hata walikuwa na bahati ya kutembelea.

Lakini umewahi kufikiria jinsi mchakato wa kubadilisha nishati ya jua kuwa nishati ya umeme hutokea? Je, ni jambo gani la kimwili linalosababisha uendeshaji wa seli hizi zote za jua? Wacha tugeuke kwenye fizikia na tuelewe mchakato wa kizazi kwa undani.

Kuanzia mwanzo, ni dhahiri kwamba chanzo cha nishati hapa ni jua, au, kwa maneno ya kisayansi, hupatikana kwa shukrani kwa picha za mionzi ya jua. Picha hizi zinaweza kuzingatiwa kama mkondo wa chembe za msingi zinazoendelea kusonga kutoka kwa Jua, ambayo kila moja ina nishati, na kwa hivyo mkondo mzima wa mwanga hubeba aina fulani ya nishati.

Kutoka kwa kila mita ya mraba ya uso wa Jua, MW 63 wa nishati hutolewa kwa njia ya mionzi! Upeo wa juu wa mionzi hii huanguka katika aina mbalimbali za wigo unaoonekana -.

Kwa hivyo, wanasayansi wameamua kuwa msongamano wa nishati ya mtiririko wa mwanga wa jua kwa umbali kutoka kwa Jua hadi Duniani wa kilomita 149,600,000, baada ya kupitia angahewa na kufikia uso wa sayari yetu, wastani wa takriban 900 W kwa kila mita ya mraba.

Hapa unaweza kukubali nishati hii na kujaribu kupata umeme kutoka kwake, yaani, kubadilisha nishati ya mwanga wa mwanga wa Sun ndani ya nishati ya kusonga chembe za kushtakiwa, kwa maneno mengine, ndani.

Ili kubadilisha mwanga kuwa umeme tunahitaji kibadilishaji cha umeme. Waongofu kama hao ni wa kawaida sana, wanapatikana kwa uuzaji wa bure, hizi ndio kinachojulikana kama seli za jua - waongofu wa picha za umeme kwa namna ya kaki zilizokatwa kutoka kwa silicon.

Bora zaidi ni monocrystalline, wana ufanisi wa karibu 18%, yaani, ikiwa flux ya photon kutoka jua ina wiani wa nishati ya 900 W / sq.m, basi unaweza kutegemea kupokea 160 W ya umeme kwa kila mita ya mraba. betri iliyokusanywa kutoka kwa seli kama hizo.

Jambo linaloitwa "athari ya picha" linafanya kazi hapa. Athari ya picha ya umeme au athari ya picha ya umeme- hii ni jambo la utoaji wa elektroni na dutu (jambo la elektroni kutolewa kutoka kwa atomi za dutu) chini ya ushawishi wa mwanga au mionzi yoyote ya umeme.

Huko nyuma mnamo 1900, Max Planck, baba wa fizikia ya quantum, alipendekeza kwamba mwanga hutolewa na kufyonzwa katika sehemu moja au quanta, ambayo baadaye, yaani, mwaka wa 1926, mwanakemia Gilbert Lewis aliita "photons."

Kila photon ina nishati, ambayo inaweza kuamua na formula E = hv - Planck ya mara kwa mara ikizidishwa na mzunguko wa mionzi.

Kulingana na wazo la Max Planck, jambo lililogunduliwa mnamo 1887 na Hertz, na kisha kusomwa kabisa kutoka 1888 hadi 1890 na Stoletov, likafafanuliwa. Alexander Stoletov alisoma kwa majaribio athari ya picha na akaanzisha sheria tatu za athari ya picha (sheria za Stoletov):

Kwa muundo wa mara kwa mara wa tukio la mionzi ya sumakuumeme kwenye photocathode, picha ya kueneza inalingana na mwangaza wa nishati ya cathode (kwa maneno mengine: idadi ya picha za picha zilizotolewa nje ya cathode katika s 1 ni sawa sawa na kiwango cha mionzi) .

Kasi ya juu ya awali ya photoelectrons haitegemei ukubwa wa mwanga wa tukio, lakini imedhamiriwa tu na mzunguko wake.

Kwa kila dutu kuna kikomo nyekundu cha athari ya photoelectric, yaani, mzunguko wa chini wa mwanga (kulingana na asili ya kemikali ya dutu na hali ya uso), chini ambayo athari ya picha haiwezekani.

Baadaye, mwaka wa 1905, Einstein alifafanua nadharia ya athari ya photoelectric. Ataonyesha jinsi nadharia ya quantum ya mwanga na sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati inaelezea kikamilifu kile kinachotokea na kile kinachozingatiwa. Einstein aliandika equation ya athari ya picha, ambayo alipokea Tuzo la Nobel mnamo 1921:

Kitendaji cha kazi A hapa ni kazi ya chini kabisa ambayo elektroni inahitaji kufanya ili kuacha atomi ya dutu. Neno la pili ni nishati ya kinetic ya elektroni baada ya kuondoka.

Hiyo ni, photon inachukuliwa na elektroni ya atomi, kutokana na ambayo nishati ya kinetic ya elektroni katika atomi huongezeka kwa kiasi cha nishati ya photon iliyoingizwa.

Sehemu ya nishati hii hutumiwa kwenye elektroni kuacha atomi, elektroni huacha atomi na inaweza kusonga kwa uhuru. Na elektroni zinazosonga kwa mwelekeo sio chochote zaidi ya mkondo wa umeme au picha ya sasa. Kama matokeo, tunaweza kuzungumza juu ya tukio la EMF katika dutu kama matokeo ya athari ya picha.

Hiyo ni, Betri ya jua hufanya kazi kwa shukrani kwa athari ya photoelectric inayofanya kazi ndani yake. Lakini elektroni "zilizopigwa" huenda wapi kwenye kibadilishaji cha photovoltaic? Mbadilishaji wa picha ya umeme au kiini cha jua au photocell ni, kwa hiyo, athari ya photoelectric ndani yake hutokea kwa njia isiyo ya kawaida, ni athari ya picha ya ndani, na hata ina jina maalum "valve photoeffect".

Chini ya ushawishi wa mwanga wa jua, athari ya picha hutokea katika makutano ya p-n ya semiconductor na emf inaonekana, lakini elektroni haziacha photocell, kila kitu kinatokea kwenye safu ya kuzuia, wakati elektroni huondoka sehemu moja ya mwili, kuhamia sehemu nyingine. yake.

Silicon katika ukoko wa dunia hufanya 30% ya wingi wake, ndiyo sababu hutumiwa kila mahali. Upekee wa semiconductors kwa ujumla ni kwamba wao si conductors wala dielectrics conductivity yao inategemea mkusanyiko wa uchafu, juu ya joto na yatokanayo na mionzi.

Pengo la bendi katika semiconductor ni volts kadhaa za elektroni, na hii ndiyo tofauti ya nishati kati ya kiwango cha juu cha bendi ya valence ya atomi, ambayo elektroni hutoka, na kiwango cha chini cha bendi ya uendeshaji. Katika silicon, bandgap ina upana wa 1.12 eV - tu kile kinachohitajika ili kunyonya mionzi ya jua.

Kwa hiyo, p-n makutano. Tabaka za silicon kwenye seli ya picha huunda makutano ya p-n. Hapa kizuizi cha nishati kinaundwa kwa elektroni; Hivi ndivyo sasa inavyozalishwa katika seli ya jua, yaani, umeme hutolewa kutoka kwa jua.

Makutano ya Pn yaliyo wazi kwa fotoni hairuhusu wabebaji wa malipo - elektroni na mashimo - kusonga zaidi ya mwelekeo mmoja hutengana na kuishia pande tofauti za kizuizi. Na kuunganishwa na mzunguko wa mzigo kwa njia ya electrodes ya juu na ya chini, kibadilishaji cha photoelectric, kinapofunuliwa na jua, kitaunda katika mzunguko wa nje.