Τι είναι Photovoltaics;
Το Photovoltaics είναι η άμεση μετατροπή του φωτός στην ηλεκτρική ενέργεια στο ατομικό επίπεδο. Μερικά υλικά εκθέτουν μια ιδιοκτησία γνωστή ως φωτοηλεκτρική επίδραση που τα αναγκάζει για να απορροφήσει τα φωτόνια του φωτός και να απελευθερώσει τα ηλεκτρόνια. Όταν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται, ηλεκτρικά τρέχοντα αποτελέσματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρική ενέργεια.
Η φωτοηλεκτρική επίδραση σημειώθηκε αρχικά από έναν γαλλικό φυσικό, Edmund Bequerel, το 1839, ο οποίος διαπίστωσε ότι ορισμένα υλικά θα παρήγαν το ηλεκτρικό ρεύμα μικρών ποσών όταν εκτίθεται στο φως. Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε τη φύση του φωτός και της φωτοηλεκτρικής επίδρασης στα οποία η φωτοβολταϊκή τεχνολογία είναι βασισμένη, για την οποία κέρδισε αργότερα ένα βραβείο Νόμπελ στη φυσική. Η πρώτη φωτοβολταϊκή ενότητα χτίστηκε από τα εργαστήρια κουδουνιών το 1954. Τιμολογήθηκε ως ηλιακή μπαταρία και ήταν συνήθως ακριβώς μια περιέργεια όπως ήταν πάρα πολύ ακριβό να κερδηθεί η διαδεδομένη χρήση. Στη δεκαετία του '60, η διαστημική βιομηχανία άρχισε να κάνει την πρώτη σοβαρή χρήση της τεχνολογίας για να προβλέψει την εξουσία στο διαστημικό σκάφος. Μέσω των διαστημικών προγραμμάτων, η τεχνολογία προηγμένη, η αξιοπιστία της καθιερώθηκε, και το κόστος άρχισε να μειώνεται. Κατά τη διάρκεια της ενεργειακής κρίσης στη δεκαετία του '70, η φωτοβολταϊκή τεχνολογία κέρδισε την αναγνώριση ως πηγή δύναμης για τις μη-διαστημικές εφαρμογές.
Τα ηλιακά κύτταρα αποτελούνται από τα ίδια είδη υλικών ημιαγωγών, όπως το πυρίτιο, που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία μικροηλεκτρονικής. Για τα ηλιακά κύτταρα, μια λεπτή γκοφρέτα ημιαγωγών αντιμετωπίζεται ειδικά για να διαμορφώσει ένα ηλεκτρικό πεδίο, θετικός σε μια πλευρά και αρνητικός σε άλλη. Όταν η ελαφριά ενέργεια χτυπά το ηλιακό κύτταρο, τα ηλεκτρόνια χτυπιούνται χαλαρά από τα άτομα στο υλικό ημιαγωγών. Εάν οι ηλεκτρικοί αγωγοί είναι συνδεμένοι με τις θετικές και αρνητικές πλευρές, διαμορφώνοντας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να συλληφθούν υπό μορφή ηλεκτρικού ρεύματος - δηλ., ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί έπειτα να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει ένα φορτίο, όπως ένα φως ή ένα εργαλείο.
Διάφορα ηλιακά κύτταρα που συνδέονται ηλεκτρικά ο ένας στον άλλο και που τοποθετούνται σε μια δομή ή ένα πλαίσιο υποστήριξης καλούνται φωτοβολταϊκή ενότητα. Οι ενότητες έχουν ως σκοπό να παρέχουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μια ορισμένη τάση, όπως ένα κοινό σύστημα 12 βολτ. Ο τρέχων παραχθείς εξαρτάται άμεσα από πόσο φως χτυπά την ενότητα.
Οι πολλαπλάσιες ενότητες μπορούν να συνδεθούν με καλώδιο μαζί για να διαμορφώσουν μια σειρά. Γενικά, όσο μεγαλύτερος ο τομέας μιας ενότητας ή σειρά, η περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια που θα παραχθεί. Οι φωτοβολταϊκές ενότητες και οι σειρές παράγουν τη direct-current (συνεχή) ηλεκτρική ενέργεια. Μπορούν να συνδεθούν και στις σειρές και στις παράλληλες ηλεκτρικές ρυθμίσεις για να παραγάγουν οποιουσδήποτε απαραίτητη τάση και τρέχοντα συνδυασμό.
Οι σημερινές πιό κοινές συσκευές PV χρησιμοποιούν μια ενιαία σύνδεση, ή τη διεπαφή, για να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε έναν ημιαγωγό όπως ένα κύτταρο PV. Σε ένα κύτταρο ενιαίος-συνδέσεων PV, μόνο τα φωτόνια η των οποίων ενέργεια είναι ίση με ή μεγαλύτερος από το χάσμα ζωνών του υλικού κυττάρων μπορούν να ελευθερώσουν ένα ηλεκτρόνιο για ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Με άλλα λόγια, η φωτοβολταϊκή απάντηση των κυττάρων ενιαίος-συνδέσεων περιορίζεται στη μερίδα του φάσματος του ήλιου η του οποίου ενέργεια είναι επάνω από το χάσμα ζωνών του απορροφώντας υλικού, και τα χαμηλός-ενεργειακά φωτόνια δεν χρησιμοποιούνται.
Ένας τρόπος να πάρει γύρω από αυτόν τον περιορισμό είναι να χρησιμοποιηθούν δύο (ή περισσότερων) διαφορετικά κύτταρα, με περισσότερα από ένα χάσματα ζωνών και περισσότερες από μια συνδέσεις, για να παραγάγει μια τάση. Αυτοί αναφέρονται ως κύτταρα «multijunction» (επίσης αποκαλούμενα «τον καταρράκτη» ή «διαδοχικά» κύτταρα). Οι συσκευές Multijunction μπορούν να επιτύχουν μια υψηλότερη συνολική αποδοτικότητα μετατροπής επειδή μπορούν να μετατρέψουν περισσότερων του ενεργειακού φάσματος του φωτός στην ηλεκτρική ενέργεια.
μια συσκευή multijunction είναι ένας σωρός των μεμονωμένων κυττάρων ενιαίος-συνδέσεων κατά κατεβαίνοντας σειρά το χάσμα ζωνών (π.χ.). Το τοπ κύτταρο συλλαμβάνει τα υψηλής ενέργειας φωτόνια και περνά το υπόλοιπο των φωτονίων για να απορροφηθεί από τα κύτταρα χαμηλός-ταινία-Gap.
Ένα μεγάλο μέρος της σημερινής έρευνας στα κύτταρα multijunction εστιάζει στο αρσενίδιο γαλλίου ως ένα (ή όλα) από τα συστατικά κύτταρα. Τέτοια κύτταρα έχουν φθάσει στις αποδοτικότητες γύρω από 35% κάτω από το συγκεντρωμένο φως του ήλιου. Άλλα υλικά που μελετώνται για τις συσκευές multijunction είναι άμορφο diselenide ίνδιου πυριτίου και χαλκού.
