Prinzip der Solarzelle

Die Sonne scheint auf den Halbleiter-pn-Übergang, um ein neues Loch-Elektronen-Paar zu bilden. Unter der Wirkung des eingebauten elektrischen Feldes im pn-Übergang fließen die durch Licht erzeugten Löcher in den p-Bereich und die durch Licht erzeugten Elektronen fließen in den n-Bereich. Nachdem der Stromkreis angeschlossen ist, wird der Strom erzeugt. Dies ist das Arbeitsprinzip von Solarzellen mit photoelektrischem Effekt.
Es gibt zwei Arten der Solarstromerzeugung, die eine ist die Licht-Wärme-Strom-Umwandlung und die andere die Licht-Strom-Direktumwandlung.
Photothermisch-elektrische Umwandlung
Der Licht-Wärme-Elektrizitäts-Umwandlungsmodus erzeugt Elektrizität unter Verwendung der durch die Sonnenstrahlung erzeugten Wärmeenergie. Im Allgemeinen wird die absorbierte Wärmeenergie durch den Sonnenkollektor in den Dampf des Arbeitsmediums umgewandelt, und dann wird die Dampfturbine angetrieben, um Strom zu erzeugen. Der erstgenannte Prozess ist der Licht-Wärme-Umwandlungsprozess; Der letztere Prozess ist der Wärme-Elektrizitäts-Umwandlungsprozess, der derselbe ist wie die gewöhnliche thermische Energieerzeugung. Der Nachteil der solarthermischen Stromerzeugung besteht darin, dass ihr Wirkungsgrad sehr gering und ihre Kosten sehr hoch sind. Es wird geschätzt, dass seine Investition mindestens 5- bis 10-mal höher ist als die von gewöhnlichen Wärmekraftwerken. Ein 1000 MW solarthermisches Kraftwerk muss 2 bis 2,5 Milliarden US-Dollar investieren, bei einer durchschnittlichen Investition von 1 kW 2000 bis 2500 US-Dollar. Daher kann es nur zu besonderen Anlässen im kleinen Maßstab angewendet werden, während eine großtechnische Nutzung nicht wirtschaftlich ist und nicht mit gewöhnlichen Wärmekraftwerken oder Kernkraftwerken konkurrieren kann.
Direkte optisch-elektrische Umwandlung
Die Stromerzeugung durch Solarzellen erfolgt gemäß den photoelektrischen Eigenschaften bestimmter Materialien. Schwarze Körper (z. B. die Sonne) strahlen elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlängen (entsprechend unterschiedlicher Frequenzen) aus, z. B. Infrarot-, Ultraviolett-, sichtbares Licht usw. Wenn diese Strahlen auf verschiedene Leiter oder Halbleiter gestrahlt werden, interagieren Photonen mit freien Elektronen in den Leitern oder Halbleiter zur Stromerzeugung. Je kürzer die Wellenlänge und je höher die Frequenz des Strahls, desto höher ist seine Energie. Beispielsweise ist die Energie von Ultraviolettstrahlen viel höher als die von Infrarotstrahlen. Die Energie von Strahlen aller Wellenlängen kann jedoch nicht in elektrische Energie umgewandelt werden. Es ist erwähnenswert, dass der photovoltaische Effekt unabhängig von der Intensität der Strahlen ist. Der Strom kann nur erzeugt werden, wenn die Frequenz die Schwelle erreicht oder überschreitet, die den photovoltaischen Effekt erzeugen kann. Die maximale Wellenlänge des Lichts, die den Halbleiter dazu bringen kann, einen photovoltaischen Effekt zu erzeugen, hängt von der Bandlückenbreite des Halbleiters ab. Beispielsweise beträgt die Bandlückenbreite von kristallinem Silizium etwa 1,155 eV bei Raumtemperatur. Daher kann nur Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 11 0 0 nm das kristalline Silizium dazu bringen, einen photovoltaischen Effekt zu erzeugen. Solarzellenstromerzeugung ist eine erneuerbare und umweltfreundliche Stromerzeugungsmethode. Es erzeugt keine Treibhausgase wie Kohlendioxid und belastet die Umwelt nicht. Entsprechend den Produktionsmaterialien kann es in Halbleiterbatterien auf Siliziumbasis, CdTe-Dünnschichtbatterien, CIGS-Dünnschichtbatterien, farbstoffsensibilisierte Dünnschichtbatterien, Batterien aus organischem Material usw. unterteilt werden. Unter ihnen werden Siliziumzellen in Einkristalle unterteilt Zellen, polykristalline Zellen und Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium. Der wichtigste Parameter für Solarzellen ist der Umwandlungswirkungsgrad. Unter den im Labor entwickelten Solarzellen auf Siliziumbasis beträgt der Wirkungsgrad von monokristallinen Siliziumzellen 25,0 Prozent, der Wirkungsgrad von polykristallinen Siliziumzellen 20,4 Prozent, der Wirkungsgrad von CIGS-Dünnschichtzellen 19,6 Prozent, der Wirkungsgrad von CdTe-Dünnschichtzellen beträgt 16,7 Prozent, und der Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium (amorphes Silizium) beträgt 10,1 Prozent
Die Solarzelle ist eine Art fotoelektrisches Element, das Energie umwandeln kann. Seine Grundstruktur wird durch Kombinieren von P-Typ- und N-Typ-Halbleitern hergestellt. Das grundlegendste Material von Halbleitern ist "Silizium", das nicht leitfähig ist. Wenn jedoch unterschiedliche Verunreinigungen in die Halbleiter gemischt werden, können sie zu P-Typ- und N-Typ-Halbleitern gemacht werden. Dann haben Halbleiter vom P-Typ ein Loch (Halbleiter vom P-Typ haben ein Elektron weniger mit negativer Ladung, was als eine weitere positive Ladung angesehen werden kann), und Halbleiter vom N-Typ haben eine Potentialdifferenz für freie Elektronen mehr, um Strom zu erzeugen, also Wenn die Sonne scheint, regt die Lichtenergie die Elektronen im Siliziumatom an, um die Konvektion von Elektronen und Löchern zu erzeugen. Diese Elektronen und Löcher werden durch das eingebaute Potential beeinflusst und von N-Typ- bzw. P-Typ-Halbleitern angezogen und sammeln sich an beiden Enden. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Außenseite mit Elektroden verbunden ist, um einen Stromkreis zu bilden, ist dies das Prinzip der Solarzellen-Stromerzeugung.
Kurz gesagt, das Prinzip der solaren photovoltaischen Stromerzeugung besteht darin, Solarzellen zu verwenden, um Sonnenlicht mit einer Wellenlänge von 0,4 μm-1,1 μm (für Siliziumkristall) zu absorbieren, wodurch Lichtenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird Energieausgang.
Da es sich bei der von Solarzellen erzeugten Elektrizität um Gleichstrom handelt, ist es, wenn es notwendig ist, Haushaltsgeräte oder verschiedene Elektrogeräte mit Strom zu versorgen, notwendig, einen DC/AC-Wandler zu installieren, um ihn durch Wechselstrom zu ersetzen, bevor er an Haushalte oder Haushalte geliefert werden kann industrielle Macht.
Die Ladeentwicklung von Solarzellen Die Anwendung von Solarzellen in Konsumgütern hat meist das Problem der Aufladung. In der Vergangenheit verwendeten die allgemeinen Ladeobjekte NiMH- oder NiCd-Trockenzellen, aber NiMH-Trockenzellen können hohen Temperaturen nicht widerstehen, und NiCd-Trockenzellen haben das Problem der Umweltverschmutzung. Mit der rasanten Entwicklung von Superkondensatoren, großer Kapazität, Anti-Schrumpffläche und niedrigem Preis begannen einige Solarprodukte, Superkondensatoren als Ladeobjekte zu verwenden, wodurch viele Probleme des Solarladens verbessert wurden:
Schnellladung,
Die Lebensdauer ist mehr als 5-mal länger,
Der Ladetemperaturbereich ist breit,
Reduzieren Sie den Verbrauch von Solarzellen (kann mit niedriger Spannung geladen werden)