Перегляд вихідного коду сторінки Фотоелемент

[[Файл:Solar cell.png|thumb|right|200px|Сонячний елемент]]
'''Фотоелектри́чна комі́рка''', також '''со́нячна комі́рка''', '''со́нячний елеме́нт''', '''фотогальвані́чний елеме́нт''', '''фотоелеме́нт''', '''фотоелектри́чний перетво́рювач (ФЕП)'''&nbsp;— електричний [[пристрій]], який діє як [[перетворювач]], і служить для перетворення частини [[Світлова енергія|світлової енергії]] (як правило, [[Видиме світло|видимих]] і [[Інфрачервоне випромінювання|інфрачервоних]] [[Електромагнітні хвилі|електромагнітних хвиль]]) у [[Електрична енергія|електричну]] за допомогою [[Фотоелектричний ефект|фотоелектричного ефекту]].

== Загальний опис ==
За принципом дії розрізняють фотоелементи із зовнішнім та внутрішнім фотоефектом. За конструктивним виконанням розрізняють фотоелементи електровакуумні та напівпровідникові. Використовують в реле, автоматичній контрольній та вимірювальній апаратурі, фотометрії.

У випадку, якщо кілька фотоелектричних комірок певним чином електрично з'єднаних між собою, загорнутих в [[пластик]], [[скло]], а для жорсткого зв'язку і захисту з'єднані з використанням [[Алюміній|алюмінієвої]] рами&nbsp;— називаються [[сонячна панель|сонячною панеллю]].

«Сонячні батареї»&nbsp;— умовна назва пристроїв, які перетворюють променеву енергію сонця в електричну енергію.<ref name="Рогинский">Рогинский В. Современные источники электропитания.&nbsp;— Л.:"Энергия", 1969. С.:104</ref>

== Принцип роботи ==
Фотоелектрична комірка працює в значній мірі як [[фотодіод]], але має дуже велику площу кристала в порівнянні з фотодіодом. Фотоелектричним ефектом є створення [[Електрична напруга|електричного потенціалу]] з матеріалу, який піддається впливу [[Світло|світла]]. Фотодіоди мають прозорий електрод, через який на електронно-дірковий [[p-n перехід]] поступає світло.<ref name="Москатов">Москатов Е.&nbsp;А.&nbsp;Источники питания.&nbsp;— Киев.: «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2011.—208 с, ил. ISBN 978-5-7931-0846-1 («КОРОНА-ВЕК») ISBN 978-966-8806-71-1 («МК-Пресс»)</ref>

[[Файл:Photoelectric-E.PNG|frame|right|Внутрішній фотоелектричний ефект]]

Отже, принцип роботи сучасних фотоелементів базується на напівпровідниковому p-n переході. При поглинанні [[фотон]]а в області, яка прилягає до p-n переходу, створюється пара [[носії заряду|носіїв заряду]]: [[електрон провідності|електрон]] і [[дірка (квазічастинка)|дірка]]. Одна із
цих часток є неосновним зарядом і з великою ймовірністю проникає крізь перехід. В результаті створені завдяки поглинанню енергії фотона заряди розділяються в просторі й не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага густини зарядів. При під'єднанні елементу до зовнішнього навантаження у колі протікає [[Струм провідності|струм]].

Говорять про напругу холостого ходу і струм короткого замикання. Напруга холостого ходу (V<sub>vo</sub>)&nbsp;— максимальна напруга (зовнішнє навантаження нескінченно мале), яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (I<sub>sc</sub>)&nbsp;— це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження нескінченно велике), який може генерувати елемент. У робочому режимі [[напруга]] і [[Струм провідності|струм]] є меншими, і при певних значеннях (V<sub>max</sub> і I<sub>max</sub>) елемент має максимальну [[потужність]] (P<sub>max</sub>).

== Втрати в сонячному елементі ==
Основні необоротні втрати енергії у фотоелементах пов'язані з:
* відбиванням сонячного випромінювання від поверхні перетворювача;
* проходженням частини випромінювання через фотоелемент без поглинання в ньому;
* розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки надлишкової енергії фотонів;
* рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об'ємі фотоелемента;
* [[внутрішній опір|внутрішнім опором]] перетворювача,
* деякими іншими фізичними процесами.

У серпні 2009&nbsp;р. вчені університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної ефективності сонячних батарей&nbsp;— 43&nbsp;% (тобто 43&nbsp;% сонячної енергії перетворюється на електричну). Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили б виробляти її в промислових масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах становить приблизно 25&nbsp;%<ref>{{Cite web |url=http://sd.net.ua/2009/08/28/ustanovlen_rekord_jeffektivnosti_solnechnykh_batarejj.html |title=Установлен рекорд эффективности солнечных батарей |accessdate=4 серпня 2013 |archive-date=25 вересня 2013 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130925222805/http://sd.net.ua/2009/08/28/ustanovlen_rekord_jeffektivnosti_solnechnykh_batarejj.html }}</ref>.

== Застосування ==
Сонячні панелі використовують в автономних системах, які, зазвичай, тривалий період часу не вимагають обслуговування оператором (автоматичні прилади радіонавігації, космічні апарати і ін.),&nbsp;— служать для [[електропостачання]] у віддалених районах Землі або на орбітальних станціях, супутниках&nbsp;— де неможливо використовувати [[Електромережа|електромережу]]. Мініатюрні сонячні панелі вбудовують в [[калькулятор]]и від яких заряджаються вбудовані [[Акумуляторна батарея|акумулятори]], а також для живлення радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.

== Матеріали ==
Матеріали для ефективних сонячних панелей повинні бути узгоджені з характеристиками спектру освітлення.

Низька концентрація сонячної енергії передбачає покриття фотовольтаїчними елементами значних площ, а отже виготовлення достатньої кількості кремнію для таких елементів.<ref name="Мачулін"/> Для продукування сонячних фотоперетворювачів використовують й інші напівпровідники, проте в масовому виробництві відносно дешевий кремній з його практично невичерпними запасами сировини не має і в найближчій перспективі не матиме конкурентів.<ref name="Мачулін">Мачулін В., Литовченко В., Стріха М. [http://archive.nbuv.gov.ua/portal/all/herald/2011_5/a2.pdf Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України]{{Недоступне посилання|date=червень 2019 |bot=InternetArchiveBot }} // [http://archive.nbuv.gov.ua/portal/all/herald/ Вісник Національної академії наук України. Загальнонауковий та громадсько-політичний журнал]{{Недоступне посилання|date=травень 2019 |bot=InternetArchiveBot }}.&nbsp;— [http://archive.nbuv.gov.ua/portal/all/herald/2011_5/index.htm 2011, №&nbsp;5]{{Недоступне посилання|date=червень 2019 |bot=InternetArchiveBot }}</ref><ref>Ерохов В. Ю. [http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/Vejpt/2009_3_7/2009_3_7/9_13.pdf Поверхнева функціональна мультитекстура для фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії]{{Недоступне посилання|date=липень 2019 |bot=InternetArchiveBot }} // [http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/Vejpt/ Восточно-Европейский журнал передовых технологий. ]{{Недоступне посилання|date=травень 2019 |bot=InternetArchiveBot }}.&nbsp;— Харьков: Технологический центр, [http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/Vejpt/2009_3_7/index.htm 2009.&nbsp;— №&nbsp;3/7 (39)]{{Недоступне посилання|date=липень 2019 |bot=InternetArchiveBot }}.</ref>

Фотоелементи виготовляють з різноманітних [[напівпровідник]]ових матеріалів. Нині використовуються для фотоелектричних сонячних елементів такі матеріали: монокристалічний кремній, [[полікристалічний кремній]], аморфний кремній, [[телурид кадмію]], [[арсенід галію]], сульфат кадмію і ін. Процес виготовлення фотоелемента близький до процесів виготовлення інших напівпровідників.

'''Монокристалічні''' фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14—20&nbsp;% перетворення світла у електричну енергію).

'''Полікристалічні''', чи мультикристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак менш ефективні.

'''Тонкоплівкові''' фотоелементи використовують тонкі плівки, що виготовляються з розплавленого кремнію, сульфату кадмію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

У космічних апаратах використовуються також '''багатоперехідні''' сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності&nbsp;— 35&nbsp;%. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними. Також, у космічних апаратах використовуються [[двосторонні сонячні панелі]], які дозволяють генерувати більше енергії, при тій самій площі.

Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрувальну оптику.

У наш час ведуться дослідження по створенню гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використанню органічних напівпровідників.

== Температурний режим ==
Важливим моментом роботи сонячних елементів є їхній температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25&nbsp;°C він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4&nbsp;%/градус. Це становить проблему для фотоелементів з концентрувальною оптикою. Тому вони потребують додаткового охолодження.

== Сонячна панель ==
{{main|Панель сонячних батарей}}

Австралійцями Х.&nbsp;Холструпом та Л.&nbsp;Перкіном було сконструйовано велосипед на сонячних батареях на якому конструктори проїхали 2500 миль із [[Перт|Перти]] до [[Сідней|Сіднея]].<ref name="Маслов">Маслов В. І. / Сам себе катаю: Все про велосипед: Для серед. і ст. шк. віку / Худож Є.&nbsp;І.&nbsp;Корольков.—К.:Веселка, 1990.—172с.:іл. ISBN 5-301-00515-4 (с.:119-121)</ref> До 1987 року це була найдовша подорож, здійснена будь-коли з використанням сонячної енергії.<ref name="Маслов" /> На трасі цей транспорт рухався із швидкість 20 км/год.<ref name="Маслов" />

Напруга холостого ходу, яка генерується одним елементом, дещо змінюється від однієї фірми-виробника до іншої (та навіть від одного елемента до іншого в одній партії) і становить близько 0,6 В. Ця величина не залежить від розмірів елемента та його освітленості. Щоб підвищити вихідну [[Напруга|напругу]] сонячні елементи [[Послідовне і паралельне з'єднання провідників|з'єднують послідовно]]. Такі з'єднання називають '''сонячною панеллю'''. Недоліком такого з'єднання є менша надійність, оскільки у разі виходу з ладу одного елемента (або просто потрапляння його в тінь) зменшується [[струм]] у цілій батареї в цілому. Втім, сонячні елементи не «бояться» [[Коротке замикання|короткого замикання]].

Вартість сонячних батарей швидко зменшується. Завдяки цьому попит на сонячні батареї зростає на 30&nbsp;% за рік, щорічний обсяг їхнього продажу перевищує (за потужністю) 50 МВт.

Ефективність установки залежить не лише від матеріалів, але й від способу експлуатації. Положення сонця на небосхилі визначаються двома координатами&nbsp;— схилом та азимутом. Схил&nbsp;— це кут між лінією, яка сполучає спостерігача та сонце, та горизонтальною поверхнею <math>\theta</math>. Азимут&nbsp;— кут між напрямком на сонці й напрямком на південь <math>\varphi</math>. Для ефективного використання елементів необхідно зорієнтувати їх поверхні перпендикулярно сонячним променям. 
[[Файл:Spherical with grid.svg|міні|377x377пкс|Сферична система координат]]
Освітленість поверхні<ref>{{Cite book|title=Архитектурная физика : Учебник для вузов : Спец. «Архитектура» / В. К. Лицкевич, Л. И. Макриненко, И. В. Мигалина и др.; Под редакцией Н. В. Оболенского. — Москва : «Архитектура-С», 2007. — 448 с., ил.|last=|first=|year=|publisher=|location=|pages=|language=|isbn=}}</ref> представляє собою щільність світлового потоку, тобто відношення світлового потоку <math>\Phi,</math> який падає на елемент поверхні, яка містить дану точку, до площини цього елемента <math>A:</math>

<math>E=\frac{\Phi}{A}.</math>

== У космічній сфері ==
Для автоматичної орієнтації поверхонь елементів відносно джерел випромінювання можуть застосовуватися відповідні системи автоматичного управління. Важливим елементом такої системи є фасеточний сонячний давач&nbsp;— двохкоординатний пристрій безкамерного типу (тобто сукупність певним чином взаємно орієнтованих фотоелектричних перетворювачів).<ref>{{Cite book|title=В.Д. Глазков, В.А. Котцов - Фасеточный солнечный датчик как система технического зрения для автономного управления космическим аппаратом.|last=|first=|year=|publisher=|location=|pages=|language=|isbn=}}</ref> У системах супроводження в якості елемента, який здійснює повороти [[Лінія візування|лінії візування]], використовується [[гіроскоп]], який має три ступеня вільності. Однак у нерухомості він не діє. У системі самонаведення є елементи, параметри яких за час роботи системи змінюються у широких межах. До таких елементів відносяться [[об'єкт керування]], поведінка якого у загальному випадку описується нелінійною системою диференціальних рівнянь зі змінними коефіцієнтами<ref>{{Cite book|title=К.А.Пупков, Н.Д. Егупов, Л.В.Колесников, Д.В.Мельников, А.И.Трофимов - Высокоточные системы самонаведения.|last=|first=|year=|publisher=|location=|pages=|language=|isbn=}}</ref>.

Когерентні квантові генератори світла дозволяють використовувати світловий інтервал частот для потреб зв'язку. Ємність оптичного каналу перевищує ємність радіочастотних каналів. Наприклад, на частоті <math>10^{14}</math> Гц можна передавати декілька тисяч телевізійних програм. Мала довжина світлової хвилі дозволяє створювати квантові джерела світла, спрямованість променя яких менше однієї [[Мінута|мінути]], що у сотні й тисячі разів перевищує спрямованість радіоантен й прожекторів. Для прикладу, це дозволяє здійснювати зв'язок при потужності передавача 10 кВт й куті спрямованості 1 мінуту на відстані декілька світлових років.

== Див. також ==
* [[Фотоефект]]
* [[PV масив]]
* [[Паливна комірка]]
* [[Електрохімічна комірка]]
* [[Фотоелектрохімічна комірка]]
* [[Фотоелектроліз]]

== Примітки ==
{{reflist}}

== Література ==
* ''Єрохов В. Ю.'' Альтернативна енергетика з використанням сонячних елементів / Нац. ун-т «Львів. політехніка».&nbsp;— Львів<nowiki> </nowiki>: Сполом, 2015.&nbsp;— 116 c.&nbsp;— Бібліогр.: с. 113—116.
* {{УСЕ-4|[http://slovopedia.org.ua/29/53412/23062.html Фотоелемент]; [http://slovopedia.org.ua/29/53412/23066.html Фотокомірка]}}

== Посилання ==
{{Commonscat|Solar cells}}

{{17px}}
{{Перетворення енергії}}

[[Категорія:Фотовольтаїка]]
[[Категорія:Напівпровідникова техніка]]
[[Категорія:Джерела енергії]]