Что происходит внутри солнечной батареи?

Не пытайтесь самостоятельно разобрать солнечную панель. Это обязательно приведет к ее поломке. Если вам любопытно из чего состоят батареи и как устроен фотоэлемент, почитайте описание.

Солнечные лучи и кремний дают энергию

Первопроходцем в области солнечной энергии считается французский физик Эдмон Беккерель. Открытие фотоэлектрического эффекта датируется 1839 годом. Идея ученого состояла в том, что свет солнца при попадании на электроды, находящиеся в проводящем растворе, может генерировать ток. Эксперимент выглядел так: в раствор галогенового электролита были помещены два электрода, емкость направили на открытый солнечный свет. В итоге началась выработка напряжения и тока.

Позже этот эффект изучали десятки ученых. По итогу формулу идеального солнечного элемента в 19 веке так и не вывели. Идея нашла новое воплощение только в 1940 году. Американец Рассел С. Ол сгенерировал энергию путем освещения кремния. Это получилось ненамеренно во время изучения кристалла. В его руках оказался интересный экземпляр с трещиной в основании.

Поток света заставлял протекать ток через трещины с разной силой. Из-за того, что внутри кристалла были примеси, у одной стороны наблюдался избыток электронов, а со второй – дефицит. Физик закрепил кристалл к вольтметру и направил свет фонарика на кремний. Получилось добиться силы напряжения 0,5 вольт. В итоге световая энергия стала двигать неактивные электроны к центру трещины. Двигаясь в одном направлении электроны превращались в электрический ток.

Как устроены современные кремниевые батареи

Описанный кристалл стал отправной точкой в области разработки солнечных панелей. Это изобретение взято за основу и современных батарей. На сегодня около 90% фотоэлементов имеют в составе кремний.

Этапы создания солнечных батарей выглядят так:

1. Подготовка сырья. Кремний стоит на втором месте по распространенности на Земле. В чистом виде не встречаются. Высокочастотный кремний добывают из двуокиси, кварца или кварцевого гравия.
2. Очищение. 100 % чистоты кремния можно добиться только при высокой температуре. Для этого сырье обрабатывается в электродуговой печи.
3. Выплавка. В печи получается монокристаллический слиток. Для получения положительной полярности поликристаллический кремний плавят и добавляют в него бор.
4. Пластины. Остывшие слитки подвергаются шлифовке. Затем проволочной пилой режут тонкие диски. Толщина – не более 1 мм. Поликристаллические – это четырехугольные пластины, а монокристаллические – восьмиугольные.
5. Финальная подготовка. На поверхность пластин крепят металлические проводники. Именно они будут отвечать за преобразование энергии солнца в электрическую. Для быстрого поглощения света на них наносят антибликовое покрытие. Отрицательно-положительную электрическую ориентацию обеспечивает фосфорное распыление с комбинацией бора.

Принцип бутерброда или как собирают панель

В основе конструкции лежит набор солнечных элементов. Стандартная панель насчитывает 60 или 72 ячейки производительной мощностью до 600 Вт. Встречаются и половинчатые ячейки. Это технология позволяет скомпоновать двойное количество элементов при тех же размерах. Например, 144. Выходит своеобразный сэндвич.

Ячейки требует герметизации. Обычно используют EVA. Лицевая сторона, которая будет обращена к свету накрывается стеклом толщиною 6-7 мм. Основание листа прикреплено к полимерной основе, которая не пропускает влагу, мусор, почву. Обязательно устанавливается распределительная коробка. Она будет отвечать за включение модуля.

Все конструкция помещается в алюминиевый каркас. Рама оберегает панели от внешних ударов, ветра. Она фиксирует положение батарей и непосредственно участвует в монтаже. Крепится каркас с помощью зажимов или другим способом.

Превращение света в электричество

Внутри элемента находится кремний. С двух сторон от него располагаются проводящие слои. Атомы кремния удерживают электроны, из-за чего ток не течет. Поэтому нужны два слоя кремния: типов N и P. В первом типе содержатся дополнительные электроны, а во втором – пустоты. Происходит P/N переход и заполнение этих пустот. В итоге с одной стороны наблюдается положительный заряд, а с другой – отрицательный.

При попадании в кремниевую ячейку фотон выбивает электрон из связи и оставляет на его месте полость с положительным зарядом. Происходит свободное перемещение по P/N перехду. Электроны будут притягиваться к N стороне, а «дырки» – к P.

Электроны собираются сверху ячейки, далее следуют через внешнюю цепь. Принцип похож на питание электрической лампочки. Проделав работу, они возвращаются через лист алюминия на задней панели. Вот и все.

Может ли панель работать в режиме 24/7?

Солнце не светит ночью. Это факт. Это означает, что батарея перестает работать с наступлением сумерек и возобновляется на рассвете. Современные эксперты подтвердили, что панели могут питать лунный свет. Правда производительности хватит на то, чтобы закипятить чайник или оставить включенную лампочку на 12 часов. На практике для накапливания полученной в течение светового дня энергии применяют аккумуляторные батареи.

Снижение производительности наблюдается при затруднительных погодных условиях: туман, дождь, облака. Потеря в такие дни составляет от 10 до 25%. Не нужно говорить о полной блокаде солнечного света. В итоге панель продолжает работать.