Основы фотовольтаики

Основы фотовольтаики

1.Основные физические  принципы фотовольтаики. Подобные  типы преобразователей в электричество.

2. Модели и конструкции  фотовольтаических панелей. Химическая  физика процесса преобразования.

3. Мощность рассчетная  и технологическая. Факторы, которые  влияют на нее. 

4. Основные компоненты  фотовольтаической электростанции. Основные и вспомогательные агрегаты. Их физическое и технологическое  воплощение.

5. Модели фотовольтаических  моделей. Проблема применения  фирменных патентованных инноваций.

6. Инверторы для ФВЭ. Физические основы и технологическое воплощение.

7. Конструкция и статика  фотовольтаической электростанции. Особенности и вопросы долговременной  и безопасной работы при неизменных  основных технологических параметрах.

8. Коммуникационные и  контрольные системы. Фирменные  решения. Возможности инноваций.

9. Защита ФВЭ (от перенапряжения, протигрозовая и др.)

10. Энергетические аудиты. Проблемы включения и преобразования энергии.

11. Финансирование ФВЭ.

Фотовольтаика — получение электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество.

Термин «фотовольтаика»  означает рабочий режим фотодиода, при котором электрический ток  возникает при преобразованнии энергии света. Т.о. все фотовольтаические устройства являются разновидностями фотодиодов.

Фотовольтаический эффект открыл в 1839 году Александр Эдмон Беккерель, заметивший что в результате воздействия солнечного излучения возможно при известных электрохимических конфигурациях получать электричество. Фотовольтаический эффект начал использоваться для непосредственного преобразования энергии солнечной радиации в электрическую энергию лишь в 1954 году.

Принцип данного эффекта  состоит в том, что фотон, попадающий на полупроводниковую структуру  с PN-переходом, возбуждает электрон и  создает таким образом два  носителя электрического тока: свободный  электрон и так называемая дырка. Солнечные элементы состоят из двух кремниевых слоев. Верхний слой кремния  является полупроводником типа N (электропроводность посредничеством электронов), нижний слой кремния является полупроводником  типа Р (электропроводность посредством  так называемых дырок). Если в пространство вблизи PN-перехода проникает электрон, то происходит фотоэффект, и освобожденные  электроны начинают переходить в  верхний слой. Электроны в нижнем слое начинают перескакивать из одного атома в другой так, чтобы заполнить  свободные места. Свободные электроны  в верхнем слое выводятся из элемента в электрическую цепь, в которую  данный элемент встроен. Электрическая  энергия начинает создаваться без  шума, без каких-либо движущихся частей и без побочных продуктов. Фотовольтаическая  система работает автоматически, без  обслуживающего персонала и без  особых требований к техническому уходу. Фотоэффе́кт — это испускание электронов вещества под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

1 закон фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

2 закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3 закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν₀ (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν₀, то фотоэффект уже не происходит.

В 1839 году Александр Беккерель  наблюдал[1] явление фотоэффекта  в электролите. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно улучшается. Экспериментальное изучение фотоэффекта показало, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения. В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

hν = A_out + E_k

где A_out — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), E_k — кинетическая энергия вылетающего электрона (в зависимости от скорости может вычисляться как кинетическая энергия релятивистской частицы, так и нет), ν — частота падающего фотона с энергией hν, h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Изучение фотоэффекта были одним из самых первых квантовомеханических исследований.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения. Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (т.е. число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения). Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота ν0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Теория Фаулера

Основные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера [2]. Согласно ей, при поглощения фотона в металле, его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми-Дирака и возбужденным (сдвинутым на hν) распределением по энергиям. Плотность фототока определяется формулой Фаулера:

где B1, B2, B3 – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого  металла.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

Фотовольтаический эффект — возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения.[3]

Ядерный фотоэффект - при поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям  и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом[4].

Современные исследования: как показали эксперименты в национальном метрологическом институте Германии Physikalisch-Technische Bundesanstalt, результаты которых опубликованы 24 апреля 2009 года в Physical Review Letters[5], в мягком рентгеновском диапазоне длин волн при плотности мощности на уровне нескольких петаватт (1015 Вт) на квадратный сантиметр общепринятая теоретическая модель фотоэффекта может оказаться неверной.

Сравнительные количественные исследования различных материалов показали, что глубина взаимодействия между излучением и веществом  существенно зависит от структуры  атомов этого вещества и корреляции между внутренними электронными оболочками. В случае c ксеноном, который  использовался в экспериментах, воздействие пакета фотонов в  коротком импульсе приводит, по всей видимости, к одновременной эмиссии множества  электронов с внутренних оболочек.[6].

 A. E. Becquerel (1839). «Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires». Comptes Rendus 9: 561—567

 Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова  Эмиссионная электроника.. — Москва: Наука, 1966. — С. 564.

 Phys. Rev. Lett. 102, 163002 (2009): Extreme Ultraviolet Laser Excites Atomic Giant Resonance

Фотоэффект, испускание электронов веществом под действием электромагнитного  излучения (фотонов). Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые фундаментальные  исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым (1888). Он установил, что в возникновении  фототока в цепи, содержащей металлические  электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение  отрицательного электрода и что  сила фототока пропорциональна интенсивности  света. Ф. Ленард (1899) доказал, что при  освещении металлов из них испускаются  электроны. Первое теоретическое объяснение законов Ф. дал А. Эйнштейн (1905). В  дальнейшем теория Ф. была развита в  наиболее последовательном виде И. Е. Таммом и С. П. Шубиным (1931). Большой вклад  в экспериментальное исследование Ф. внесли работы А. Ф. Иоффе (1907), П. И. Лукирского и С. С. Прилежаева (1928).

Фотоэффект – квантовое явление, его открытие и исследование сыграли важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории: только на её основе оказалось возможным объяснение закономерностей фотоэффекта. Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Фотоэффект из атома, молекулы или конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде – работой выхода. Закон сохранения энергии при фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна. Фотоэффект может наблюдаться в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Первичным актом здесь является поглощение фотона атомом и ионизация с испусканием электрона. С высокой степенью точности можно считать, что вся энергия фотона за вычетом энергии ионизации передаётся испускаемому электрону. В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. При энергиях , равных или превышающих работу выхода, излучение поглощается электронами проводимости (в металлах) или валентными электронами (в полупроводниках и диэлектриках), коллективизированными в твёрдом теле. В результате может наблюдаться фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или фотоэффект внутренний (фотопроводимость и др. фотоэлектрические явления) с граничной энергией фотонов, равной ширине запрещенной зоны. При энергиях фотонов  , во много раз превышающих энергию межатомных связей в конденсированной среде (гамма-излучение), фотоэлектроны могут вырываться из "глубоких" оболочек атома. Влияние среды на первичный акт фотоэффекта в этом случае пренебрежимо мало по сравнению с энергией связи электрона в атоме и фотоэффект происходит так же, как на изолированных атомах. Эффективное сечение фотоэффекта s_ф сначала растет с w, а затем, когда становится больше энергии связи электронов самых глубоких оболочек атома, уменьшается. Такая зависимость s_ф от w качественно объясняется тем, что чем больше  по сравнению с E_i, тем пренебрежимее связь электрона с атомом, а для свободного электрона Ф. невозможен. Вследствие того, что электроны К-оболочки наиболее сильно связаны в атоме и эта связь возрастает с атомным номером Z, s_ф имеет наибольшее значение для К-электронов и быстро увеличивается при переходе к тяжёлым элементам (~ Z5). При порядка атомных энергий связи фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения гамма-излучения атомами, при более высоких энергиях фотонов его роль становится менее существенной по сравнению с др. механизмами: Комптона эффектом, рождением электронно-позитронных пар.