1. Конструкция солнечного элемента и принцип его работы
Солнечные элементы преобразуют энергию светового излучения в электрическую энергию.
Официальное название солнечных элементов в российской литературе: фотоэлектрические преобразователи (ФЭП).
В основе практически каждого типа солнечного элемента лежит полупроводниковая структура. Общим свойством полупроводниковых материалов является их способность поглощать оптическое излучение с образованием избыточных носителей заряда: электронов и дырок.
Солнечный элемент фактически представляет собой простой полупроводниковый диод, оптимизированный для эффективного поглощения солнечной энергии и её преобразования в электрическую.
Образующиеся в полупроводниковой структуре электроны диффундируют к области p-n – перехода, где происходит их разделение электрическим полем.
Избыточные электроны, созданные в p-слое, частично переносятся в n-слой (рис. 1). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный и во внешней цепи появляется напряжение. Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.
Полупроводниковая структура p-n – перехода обычно получается диффузией примеси одного типа в полупроводник легированный примесью другого типа. Металлическая сетка и тыльный металлический контакт обеспечивают токосъем с полупроводниковой структуры. Антиотражающее покрытие увеличивает долю солнечного излучения проходящего в объем полупроводника.
Все электромагнитное излучение, включая солнечный свет, состоит из квантов, называемых фотонами. Энергия кванта определяется его длиной волны в соответствии с формулой:
где h – постоянная Планка, λ – длина волны. К рождению электронно-дырочных пар способны только фотоны с энергией, большей ширины запрещенной зоны полупроводника.
2. Спектр солнечного излучения, основные параметры излучения
Спектр солнечного излучения может быть аппроксимирован спектром излучения абсолютно черного тела при температуре 5762 K. Энергетическая плотность солнечного излучения вблизи земной атмосферы равна 1.353 кВт/м2. Спектр излучения при этом соответствует нулевой атмосферной массе - AM0 (air mass zero). Атмосферная масса (АМ) определяет долю солнечного излучения, поглощаемого в атмосфере Соотношение для вычисления номера атмосферной массы:
где θ – угол между нормалью к земной поверхностью и солнечными лучами (в зените θ=0).
На практике для определения атмосферной массы используется следующее соотношение:
Где S – тень от объекта высотой H.
Энергетическая плотность солнечного излучения связана с атмосферной массой аппроксимационным соотношением:
При сравнении различных солнечных элементов в качестве стандарта используется спектр излучения, соответствующий атмосферной массе AM1.5 нормализованный на суммарную плотность излучения 1 кВт/м2. Фактически эта величина и соответствует спектру и мощности солнечного излучения на земной поверхности. Кроме того важно отменить, что солнечный свет кроме прямолинейных лучей содержит еще и диффузную компоненту (рассеянный свет) доля которой может быть достигать 20%. Поэтому среди стандартов атмосферной массы различают AM1.5g (global), содержащей диффузную компоненту и AM1.5d (direct) – без неё.