Convertisseurs d'énergie photovoltaïque à semi-conducteurs (cellules photoélectriques)

Les cellules photoélectriques sont des dispositifs électroniques conçus pour convertir l'énergie des photons en énergie d'un courant électrique.

Historiquement, le premier prototype de la cellule photoélectrique moderne a été inventé Alexandre G. Stoletov à la fin du 19ème siècle. Il crée un appareil qui fonctionne sur le principe de l'effet photoélectrique externe. La première installation expérimentale consistait en une paire de tôles plates parallèles, dont l'une était faite de treillis pour laisser passer la lumière et l'autre était pleine.

Une tension constante a été appliquée aux feuilles, qui pouvait être ajustée dans la plage de 0 à 250 volts. Le pôle positif de la source de tension était connecté à l'électrode de grille et le pôle négatif au solide. Un galvanomètre sensible a également été inclus dans le schéma.

Lorsqu'une feuille solide a été éclairée par la lumière d'un arc électrique, aiguille du galvanomètre dévié, indiquant qu'un courant continu est généré dans le circuit malgré le fait qu'il y ait de l'air entre les disques.Dans l'expérience, le scientifique a découvert que l'amplitude du "photocourant" dépend à la fois de la tension appliquée et de l'intensité de la lumière.

Pour compliquer l'installation, Stoletov place les électrodes à l'intérieur d'un cylindre à partir duquel l'air est évacué, et la lumière ultraviolette est envoyée à l'électrode sensible à travers une fenêtre en quartz. Donc c'était ouvert effet photographique.

Aujourd'hui, sur la base de cet effet, cela fonctionne convertisseurs photovoltaïques… Ils réagissent au rayonnement électromagnétique tombant sur la surface de l'élément et le convertissent en une tension de sortie. Un exemple d'un tel convertisseur est cellule photovoltaïque… Le même principe est utilisé par capteurs photosensibles.

Une cellule photoélectrique typique consiste en une couche de matériau photosensible à haute résistance prise en sandwich entre deux électrodes conductrices. En tant que matériau photovoltaïque pour les cellules solaires, il est couramment utilisé semi-conducteur, qui, lorsqu'il est complètement éclairé, est capable de fournir 0,5 volt en sortie.

De tels éléments sont les plus efficaces du point de vue de l'énergie générée, car ils permettent un transfert direct en une étape de l'énergie photonique - en courant électrique... Dans des conditions normales, une efficacité de 28% est la norme pour de tels éléments.

Ici, un effet photoélectrique intense se produit en raison de l'inhomogénéité de la structure semi-conductrice du matériau de travail.Cette inhomogénéité est obtenue soit en dopant le matériau semi-conducteur utilisé avec différentes impuretés, créant ainsi une jonction pn, soit en connectant des semi-conducteurs avec différentes tailles d'entrefer (énergies auxquelles les électrons quittent leurs atomes) - obtient ainsi une hétérojonction, soit en choisissant un tel produit chimique composition du semi-conducteur qu'un gradient de bande interdite - une structure à espacement gradué - apparaît à l'intérieur. Par conséquent, l'efficacité d'un élément donné dépend des caractéristiques d'inhomogénéité obtenues à l'intérieur d'une structure semi-conductrice particulière ainsi que de la photoconductivité.

Pour réduire les pertes dans une cellule solaire, un certain nombre de réglementations sont utilisées dans leur fabrication. Premièrement, on utilise des semi-conducteurs dont la bande interdite est optimale juste pour la lumière du soleil, par exemple des composés de silicium et d'arséniure de gallium.Deuxièmement, les propriétés de la structure sont améliorées par un dopage optimal. La préférence est donnée aux structures hétérogènes et graduées. L'épaisseur optimale de la couche, la profondeur de la jonction p-n et les meilleurs paramètres de la grille de contact sont sélectionnés.

Des éléments en cascade sont également créés, où plusieurs semi-conducteurs avec différentes bandes de fréquences fonctionnent, de sorte qu'après avoir traversé une cascade, la lumière pénètre dans la suivante, etc. L'idée de décomposer le spectre solaire semble prometteuse, de sorte que chacun de ses les régions sont transformées à partir d'une section séparée de la cellule photoélectrique.

Il existe trois principaux types de cellules photovoltaïques sur le marché aujourd'hui : le silicium monocristallin, le silicium polycristallin et les couches minces.Les couches minces sont considérées comme les plus prometteuses car elles sont sensibles même à la lumière parasite, peuvent être placées sur des surfaces courbes, ne sont pas aussi cassantes que le silicium et sont efficaces même à des températures de fonctionnement élevées.

Voir également: Efficacité des cellules et modules solaires