Polprevodniški fotovoltaični pretvorniki energije (fotocelice)
Fotocelice so elektronske naprave, namenjene pretvarjanju energije fotonov v energijo električnega toka.
Zgodovinsko gledano je bil izumljen prvi prototip sodobne fotocelice Aleksander G. Stoletov ob koncu 19. stoletja. Ustvari napravo, ki deluje na principu zunanjega fotoelektričnega učinka. Prva eksperimentalna instalacija je bila sestavljena iz para vzporednih ravnih kovinskih plošč, od katerih je bila ena narejena iz mreže, da je prepuščala svetlobi, druga pa je bila trdna.
Na plošče je bila priključena konstantna napetost, ki jo je bilo mogoče nastaviti v območju od 0 do 250 voltov. Pozitivni pol napetostnega vira je bil priključen na mrežno elektrodo, negativni pol pa na trdno snov. V shemo je bil vključen tudi občutljiv galvanometer.
Ko je bila trdna plošča osvetljena s svetlobo električnega obloka, igla galvanometra odklonjen, kar pomeni, da se v vezju ustvarja enosmerni tok kljub dejstvu, da je med diskoma zrak.V poskusu je znanstvenik ugotovil, da je velikost "fototoka" odvisna tako od uporabljene napetosti kot od jakosti svetlobe.
Zaradi zapletov pri namestitvi Stoletov postavi elektrode v valj, iz katerega se odvaja zrak, ultravijolična svetloba pa se na občutljivo elektrodo dovaja skozi kvarčno okno. Torej je bilo odprto foto učinek.
Danes na podlagi tega učinka deluje fotovoltaični pretvorniki… Reagirajo na elektromagnetno sevanje, ki pade na površino elementa, in ga pretvorijo v izhodno napetost. Primer takega pretvornika je sončna celica… Enako načelo uporablja fotoobčutljivi senzorji.
Tipična fotocelica je sestavljena iz plasti visokoodpornega fotoobčutljivega materiala, stisnjenega med dve prevodni elektrodi. Kot fotovoltaični material za sončne celice se pogosto uporablja polprevodnik, ki je pri polni osvetlitvi sposoben dati 0,5 voltov na izhodu.
Takšni elementi so najbolj učinkoviti z vidika generirane energije, saj omogočajo neposreden enostopenjski prenos fotonske energije — v električnem toku... V normalnih pogojih je učinkovitost 28% norma za takšne elemente.
Pri tem pride do intenzivnega fotoelektričnega učinka zaradi nehomogenosti polprevodniške strukture delovnega materiala.To nehomogenost dosežemo bodisi z dopiranjem uporabljenega polprevodniškega materiala z različnimi nečistočami, s čimer ustvarimo pn spoj, ali s povezovanjem polprevodnikov z različnimi velikostmi vrzeli (energije, pri katerih elektroni zapustijo svoje atome) – tako dobimo heterospoj, ali z izbiro takšne kemikalije sestava polprevodnika, v kateri se pojavi gradient pasovne vrzeli – struktura stopnjevane vrzeli. Posledično je učinkovitost danega elementa odvisna od značilnosti nehomogenosti, pridobljenih znotraj določene polprevodniške strukture, kot tudi od fotoprevodnosti.
Za zmanjšanje izgub v sončnih celicah se pri njihovi izdelavi uporabljajo številni predpisi. Prvič, uporabljajo se polprevodniki, katerih pasovna širina je optimalna ravno za sončno svetlobo, na primer spojine silicija in galijevega arzenida, drugič, lastnosti strukture se izboljšajo z optimalnim dopiranjem. Prednost imajo heterogene in stopnjevane strukture. Izbrana je optimalna debelina sloja, globina p-n-stika in najboljši parametri kontaktne mreže.
Ustvarjeni so tudi kaskadni elementi, kjer deluje več polprevodnikov z različnimi frekvenčnimi pasovi, tako da po prehodu skozi eno kaskado svetloba vstopi v naslednjo itd. Obetavna je ideja o razgradnji sončnega spektra, tako da bi vsak od regije se preoblikuje iz ločenega dela fotocelice.
Danes so na trgu tri glavne vrste fotovoltaičnih celic: monokristalni silicij, polikristalni silicij in tankoslojne.Tanki filmi veljajo za najbolj obetavne, ker so občutljivi tudi na razpršeno svetlobo, jih je mogoče namestiti na ukrivljene površine, niso tako krhki kot silicij in so učinkoviti tudi pri visokih delovnih temperaturah.
Poglej tudi: Učinkovitost sončnih celic in modulov