Сборка простой солнечной ячейки: пошаговое руководство по фотоэлектрической технологии

Как построить простую солнечную ячейку? (Пошагово) | Принцип работы фотоэлектрического элемента

Введение в солнечные ячейки (фотоэлектрические элементы)

Солнечная ячейка (фотоэлектрический элемент) — прибор, генерирующий электрический ток при освещении солнечным светом за счет фотоэлектрического эффекта в полупроводнике. Дальше речь только о таких ячейках.

Сила тока зависит от интенсивности электромагнитного излучения (ЭМ-излучения), падающего на поверхность. Солнечная ячейка преобразует ЭМ-излучение в постоянный ток. Это полупроводниковый p-n переход, преобразующий солнечное излучение в электрическую энергию.

Физика работы: принцип фотоэлектрического эффекта

Принцип аналогичен проводимости полупроводников (кремний). Темная поверхность — светоприемник. При попадании фотонов электроны возбуждаются, перескакивают на более высокий энергетический уровень, оставляя «дырки» (hole).

Дырки — положительные зарядопереносчики, электроны — отрицательные. Они не создают заряд, а переносят его. Так ЭМ-излучение превращается в электрическую энергию. Основные материалы: кремний (Si) и селен (Se).

Типы полупроводников

Внутренние (Intrinsic):

Чистые, без примесей. При 0 К почти нет свободных носителей заряда.

Внешние (Extrinsic) — легированные:

Вводом примесей повышают проводимость. При легировании образуются:

• p-тип: Кремний/селен + трехвалентный элемент (бор). Основные носители — дырки (p+).
• n-тип: Кремний + пятивалентный элемент (фосфор, мышьяк). Основные носители — электроны (n-).
• p-n переход: При контакте p- и n-областей (сплавлением при высокой температуре) образуется пограничный слой ~10^-3 мм. Высокая концентрация дырок с одной стороны и электронов с другой вызывает диффузию через границу.

Как построить простую фотоэлектрическую ячейку?

Кремний и селен — основные материалы, но дорогие. Рассмотрим варианты из доступных материалов. Эффективность будет ниже, чем у промышленных Si-ячеек. Мощность пропорциональна освещаемой площади.

Индустриальная технология на кремнии

Верхний p-слой тонкий, чтобы свет проникал в n-область. Никелированное кольцо вокруг p-слоя — анод (+), платинование под n-слоем — катод (–).

Домашний эксперимент: солнечная ячейка из оксида меди (Cu₂O) / диоксида титана (TiO₂) — тип Гретцеля

Материалы:

• Стеклянные пластины (покрывные стекла для микроскопа)
• Дейонизированная вода
• Мультиметр
• Прозрачный скотч
• Мелкая тарелка/поднос
• Электрическая плита (желательно 1100 Вт)
• Раствор диоксида титана (TiO₂)
• Углерод (графитовый карандаш или графитовая смазка)
• Йодный раствор (электролит)
• Биндер-клемы (скобы для бумаг)
• Крокодилы-проводки

Стекло — полупроводник с частичной проводимостью. Нужно химически обработать пластины так, чтобы одна стала более проводимой (p-подобная), другая — менее (n-подобная).

1. Тщательно очистите обе пластины этанолом. После очистки не трогайте рабочие поверхности руками.
2. Мультиметром проверьте проводимость каждой поверхности. Определите более проводящую сторону на каждой пластине. Положите их рядом: одна проводящей стороной вверх, другая — вниз.
3. Приклейте скотч по длинному краю, соединяя пластины. Скотч должен нависать на 1 мм. На верхней пластине добавьте еще полоску скотча шириной 4–5 мм от края (для контакта).
4. Равномерно нанесите капли раствора TiO₂ на верхнюю пластину (проводящая сторона вверх). Распределите тонкий слой. Дайте покрыть проводящую сторону, обращенную вниз.
5. Снимите соединяющий скотч.
6. Поместите верхнюю пластину (с TiO₂) на раскаленную плиту на ночь для спекания (обжига) TiO₂. Нижнюю пластину очистите от TiO₂ (проводящая сторона вниз) и поставьте в чистое место.
7. Наполните тарелку красителем: сок ежевики, малины, граната и т.д. Опустите спеканную пластину (TiO₂ вниз) в краситель на ≥10 мин.
8. Пока пластина в красителе, очистите вторую пластину этанолом. Проверьте проводимость. Сторону, которая НЕ проводит, отметьте как «+». Нанесите на проводящую сторону слой графита (карандаш или смазка) — это будет катод.
9. Достаньте пластину с TiO₂. Промойте дейонизированной водой, затем этанолом. Промокните салфеткой.
10. Соберите сэндвич: покрытия касаются друг друга, пластины немного смещены по краям (края = контакты). Закрепите биндер-клемами.
11. Нанесите капли йодного раствора (электролита) на торцы покрытий. Он обеспечивает перенос электронов от TiO₂ к графиту под светом. Удалите излишки с рабочей поверхности.
12. Прикрепите крокодилы к смещенным краям: к графиту (анод) и к TiO₂ (катод). Подключите мультиметр. Направьте на свет. Ячейка готова! Напряжение мало (для зарядки телефона нужно соединить многие такие ячейки последовательно).

Преимущества солнечных ячеек

• Бесшумные
• Не требуют топлива
• Источник энергии бесплатен
• Минимальное обслуживание

Недостатки

• Требуется большая площадь для заметной мощности
• Зависимость от облачности/времени суток
• Нестабильность генерации — нельзя как единственный источник без накопителей

Применение

• Батареи из последовательно-параллельно соединенных ячеек — зарядные устройства
• Источники питания спутников
• Сенсоры света (оптопары, считывание перфокарт)
• Инфракрасные детекторы (германий с золотом)

Читайте также:

• Типы солнечных панелей: какая лучше?
• Схемы подключения солнечных панелей
• Требования к установке солнечной системы
• Последовательное соединение панели с ИБП
• Расчет мощности солнечной панели для дома
• Полное руководство по установке солнечных панелей с расчетами