Šta je fotovotika?

Fotovoltaika je direktna pretvorba svjetlosti u elektricitet na atomskom nivou. Neki materijali pokazuju svojstvo poznato kao fotoelektrični efekt zbog kojeg apsorbiraju fotone svjetlosti i oslobađaju elektrone. Kada se uhvate ovi slobodni elektroni, nastaje električna struja koja se može koristiti kao električna energija.

Fotoelektrični efekt prvi je put primijetio francuski fizičar Edmund Bequerel 1839. godine koji je otkrio da će određeni materijali proizvoditi male količine električne struje kada budu izloženi svjetlosti. 1905. godine Albert Einstein opisao je prirodu svjetlosti i fotoelektrični efekt na kojem se temelji fotonaponska tehnologija, za što je kasnije dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Prvi fotonaponski modul sagradio je Bell Laboratories 1954. godine. Naplaćivao se kao solarna baterija i uglavnom je bio samo zanimljivost jer je bio preskup za široku upotrebu. Šezdesetih godina svemirska industrija počela je prvu ozbiljnu upotrebu tehnologije za opskrbu brodom svemirskim brodovima. Kroz svemirske programe tehnologija je napredovala, uspostavila se njena pouzdanost i troškovi su počeli opadati. Tokom energetske krize 1970-ih, fotonaponska tehnologija stekla je priznanje kao izvor energije za ne-svemirske aplikacije.

Gornji dijagram ilustrira rad osnovne fotonaponske ćelije, koja se naziva i solarna ćelija. Solarne ćelije su napravljene od istih vrsta poluprovodničkih materijala, poput silicija, koji se koriste u mikroelektronskoj industriji. Za solarne ćelije tanka poluprovodnička pločica posebno je obrađena tako da formira električno polje, pozitivno s jedne, a negativno s druge strane. Kada svjetlosna energija udari u solarnu ćeliju, elektroni se izbace iz atoma u poluprovodničkom materijalu. Ako su električni vodiči pričvršćeni na pozitivnu i negativnu stranu, čineći električni krug, elektroni se mogu zarobiti u obliku električne struje - to jest električne energije. Tada se ta električna energija može koristiti za napajanje tereta, poput svjetla ili alata.

Određeni broj solarnih ćelija koje su međusobno električno povezane i ugrađene u potpornu strukturu ili okvir naziva se fotonaponski modul. Moduli su dizajnirani za napajanje električnom energijom pod određenim naponom, kao što je uobičajeni sistem od 12 volti. Proizvedena struja direktno zavisi od toga koliko svjetlosti udara u modul.

Danas najčešći PV uređaji koriste jedan spoj ili sučelje za stvaranje električnog polja u poluvodiču, poput PV ćelije. U PV fotoćeliji sa jednim spojem, samo fotoni čija je energija jednaka ili veća od zabranjenog pojasa ćelijskog materijala mogu osloboditi elektron za električni krug. Drugim riječima, fotonaponski odziv ćelija s jednim spojem ograničen je na dio sunčevog spektra čija je energija iznad zabranjenog pojasa apsorbujućeg materijala, a fotoni niže energije se ne koriste.

Jedan od načina da se ovo ograničenje zaobiđe je upotreba dvije (ili više) različitih ćelija, s više od jednog razmaka i više od jednog spoja, za generiranje napona. Oni se nazivaju "multijunkcijskim" ćelijama (koje se nazivaju i "kaskadne" ili "tandemske" ćelije). Multijunkcijski uređaji mogu postići veću ukupnu efikasnost pretvorbe jer mogu pretvoriti veći dio energetskog spektra svjetlosti u električnu.

Kao što je prikazano dolje, multijunkcijski uređaj je skup pojedinačnih jednostrukih ćelija u opadajućem redoslijedu razmaknog pojasa (Npr.). Gornja ćelija hvata visokoenergijske fotone i predaje ostatak fotona da ih apsorbiraju ćelije donjeg pojasa.

Većina današnjih istraživanja u multijunkcijskim ćelijama fokusira se na galijev arsenid kao jednu (ili sve) od komponentnih ćelija. Takve ćelije postigle su efikasnost od oko 35% pod koncentriranom sunčevom svjetlošću. Ostali materijali koji su proučavani za multijunkcijske uređaje su amorfni silicijum i bakar indij-dizelenid.

Kao primjer, dolje multijunkcijski uređaj koristi gornju ćeliju galijum indijum fosfida, "tunelski spoj", kako bi pomogao protok elektrona između ćelija i donju ćeliju galijum arsenida.


Vrijeme objavljivanja: jun-19-2020