Convertitori di energia fotovoltaica a semiconduttore (fotocellule)

Le fotocellule sono dispositivi elettronici progettati per convertire l'energia dei fotoni nell'energia di una corrente elettrica.

Storicamente è stato inventato il primo prototipo della moderna fotocellula Alexander G. Stoletov alla fine del XIX secolo. Crea un dispositivo che funziona secondo il principio dell'effetto fotoelettrico esterno. La prima installazione sperimentale consisteva in una coppia di lamiere metalliche piane parallele, una delle quali era realizzata in rete per consentire il passaggio della luce e l'altra era piena.

Ai fogli veniva applicata una tensione costante, che poteva essere regolata nell'intervallo da 0 a 250 volt. Il polo positivo della sorgente di tensione è stato collegato all'elettrodo della griglia e il polo negativo al solido. Nello schema è stato incluso anche un galvanometro sensibile.

Quando un foglio solido è stato illuminato con la luce di un arco elettrico, ago del galvanometro deviato, indicando che una corrente continua viene generata nel circuito nonostante il fatto che ci sia aria tra i dischi.Nell'esperimento, lo scienziato ha scoperto che l'entità della "fotocorrente" dipende sia dalla tensione applicata che dall'intensità della luce.

Complicando l'installazione, Stoletov posiziona gli elettrodi all'interno di un cilindro da cui viene evacuata l'aria e la luce ultravioletta viene alimentata all'elettrodo sensibile attraverso una finestra di quarzo. Quindi era aperto effetto foto.

Oggi, sulla base di questo effetto, funziona convertitori fotovoltaici… Reagiscono alla radiazione elettromagnetica che cade sulla superficie dell'elemento e la convertono in una tensione di uscita. Un esempio di tale convertitore è celle a energia solare… Lo stesso principio è usato da sensori fotosensibili.

Una tipica fotocellula è costituita da uno strato di materiale fotosensibile ad alta resistenza inserito tra due elettrodi conduttivi. Come materiale fotovoltaico per celle solari, è comunemente usato semiconduttore, che, quando è completamente illuminato, è in grado di fornire 0,5 volt in uscita.

Tali elementi sono più efficienti dal punto di vista dell'energia generata, in quanto consentono il trasferimento diretto in un'unica fase dell'energia dei fotoni — nella corrente elettrica... In condizioni normali, un'efficienza del 28% è la norma per tali elementi.

Qui si verifica un intenso effetto fotoelettrico dovuto alla disomogeneità della struttura semiconduttrice del materiale di lavoro.Questa disomogeneità si ottiene o drogando il materiale semiconduttore utilizzato con diverse impurità, creando così una giunzione pn, o collegando semiconduttori con diverse dimensioni di gap (energie alle quali gli elettroni lasciano i loro atomi), ottenendo così un'eterogiunzione, o scegliendo un tale elemento chimico composizione del semiconduttore in cui appare un gradiente di bandgap, una struttura a gap graduato. Di conseguenza, l'efficienza di un dato elemento dipende dalle caratteristiche di disomogeneità ottenute all'interno di una particolare struttura semiconduttrice nonché dalla fotoconduttività.

Per ridurre le perdite in una cella solare, nella loro fabbricazione vengono utilizzate una serie di normative. In primo luogo, vengono utilizzati semiconduttori il cui bandgap è ottimale solo per la luce solare, ad esempio composti di silicio e arseniuro di gallio.In secondo luogo, le proprietà della struttura vengono migliorate mediante un drogaggio ottimale. La preferenza è data a strutture eterogenee e graduate. Vengono selezionati lo spessore ottimale dello strato, la profondità della giunzione p-n e i migliori parametri della griglia di contatto.

Vengono creati anche elementi a cascata, dove lavorano diversi semiconduttori con diverse bande di frequenza, in modo che dopo aver attraversato una cascata, la luce entri nella successiva, ecc. L'idea di scomporre lo spettro solare sembra promettente, in modo che ciascuno dei suoi regioni è trasformata da sezione separata di fotocellula.

Esistono oggi tre tipi principali di celle fotovoltaiche sul mercato: silicio monocristallino, silicio policristallino e film sottile.I film sottili sono considerati i più promettenti perché sono sensibili anche alla luce diffusa, possono essere posizionati su superfici curve, non sono fragili come il silicio e sono efficaci anche a temperature di esercizio elevate.

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