Vad är solceller?

Solceller är direkt omvandling av ljus till elektricitet på atomnivå. Vissa material uppvisar en egenskap som kallas den fotoelektriska effekten som får dem att absorbera fotoner av ljus och frigöra elektroner. När dessa fria elektroner fångas upp, resulterar en elektrisk ström som kan användas som el.

Den fotoelektriska effekten noterades först av en fransk fysiker, Edmund Bequerel, 1839, som fann att vissa material skulle producera små mängder elektrisk ström när de utsattes för ljus. 1905 beskrev Albert Einstein ljusets natur och den fotoelektriska effekt som solcellsteknik bygger på, för vilken han senare vann ett Nobelpris i fysik. Den första solcellsmodulen byggdes av Bell Laboratories 1954. Den fakturerades som ett solbatteri och var mestadels bara en nyfikenhet eftersom det var för dyrt att få utbredd användning. På 1960-talet började rymdindustrin använda den första allvarliga tekniken för att tillhandahålla kraft ombord på rymdfarkoster. Genom rymdprogrammen avancerade tekniken, dess tillförlitlighet fastställdes och kostnaden började sjunka. Under energikrisen på 1970-talet fick solcellerteknik erkännande som en kraftkälla för icke-rymdapplikationer.

Diagrammet ovan illustrerar funktionen av en solcell, även kallad solcell. Solceller är tillverkade av samma slags halvledarmaterial, som kisel, som används inom mikroelektronikindustrin. För solceller behandlas en tunn halvledarskiva speciellt för att bilda ett elektriskt fält, positivt på ena sidan och negativt på den andra. När ljusenergi träffar solcellen, slås elektroner loss från atomerna i halvledarmaterialet. Om elektriska ledare är anslutna till de positiva och negativa sidorna och bildar en elektrisk krets, kan elektronerna fångas i form av en elektrisk ström - det vill säga elektricitet. Denna el kan sedan användas för att driva en last, t.ex. ett ljus eller ett verktyg.

Ett antal solceller som är elektriskt anslutna till varandra och monterade i en stödkonstruktion eller ram kallas en solcellsmodul. Modulerna är utformade för att leverera el vid en viss spänning, till exempel ett vanligt 12 volt-system. Den producerade strömmen är direkt beroende av hur mycket ljus som slår modulen.

Dagens vanligaste solcellsenheter använder en enda korsning, eller gränssnitt, för att skapa ett elektriskt fält inom en halvledare som en solcell. I en PV-cell med en enda korsning kan endast fotoner vars energi är lika med eller större än cellmaterialets bandgap frigöra en elektron för en elektrisk krets. Med andra ord är solcellssvaret från enstaka korsningsceller begränsat till den del av solens spektrum vars energi ligger över det absorberande materialets bandgap, och fotoner med lägre energi används inte.

Ett sätt att komma runt denna begränsning är att använda två (eller flera) olika celler, med mer än ett bandgap och mer än en korsning, för att generera en spänning. Dessa kallas "multijunction" -celler (även kallade "kaskad" eller "tandem" -celler). Multijunction-enheter kan uppnå en högre total konverteringseffektivitet eftersom de kan konvertera mer av energispektret av ljus till el.

Som visas nedan är en multikopplingsanordning en stapel med enskilda enskilda korsningsceller i fallande ordning av bandgap (t.ex.). Den översta cellen fångar högenergifotonerna och skickar resten av fotonerna vidare för att absorberas av celler med lägre bandgap.

Mycket av dagens forskning inom multikopplingsceller fokuserar på galliumarsenid som en (eller alla) av komponentcellerna. Sådana celler har uppnått en effektivitet på cirka 35% under koncentrerat solljus. Andra material som studerats för flerfunktionsanordningar har varit amorft kisel och kopparindiumdiselenid.

Som ett exempel använder multijunction-anordningen nedan en toppcell av galliumindiumfosfid, "en tunnelkorsning", för att underlätta flödet av elektroner mellan cellerna och en bottencell av galliumarsenid.


Inläggstid: Jun-19-2020