Ֆոտոէլեմենտ, էլեկտրոնային սարք, որը ֆոտոնների էներգիան վերածում է էլեկտրամագնիսական դաշտի էներգիայի[Ն 1]: Բաժանված են վակուումային և կիսահաղորդչային ֆոտոխցիկների: Սարքի աշխատանքը հիմնված է ֆոտոէֆեկտների արտանետման կամ ներքին ֆոտոէֆեկտների ազդեցության վրա: Աոաջին ֆոտոէլեմենտը, որը հիմնված է ներքին ֆոտոէֆեկտի վրա հայտնաբերել է Հենրիխ Հերցը (1887), ստեղծել է Ալեքսանդր Ստոլետովը (1888)[1]:

Ֆոտոէլեմենտ
Silicon solar cell (PERC) front and back.jpg
Ենթադասtransducer?, Կիսահաղորդչային դիոդ և optoelectronic device?
Հայտնագործման տարեթիվ1839
Solar cells Վիքիպահեստում

Կիսահաղորդչային ֆոտովոլտային էներգիայի փոխարկիչներԽմբագրել

 
ծարիր-ցեզիումային ֆոտոէլեմենտ

Էներգետիկ տեսանկյունից արևի էներգիան էլեկտրական էներգիայի վերափոխելու ամենաարդյունավետ սարքերը կիսահաղորդչային ֆոտովոլտային փոխարկիչներն են, քանի որ դա ուղղակի, էներգիայի մեկ փուլային փոխանցում է: Առևտրային արտադրության արևային բջիջների արդյունավետությունը միջինը 16% է, լավագույն նմուշները ունեն մինչև 25%[2]: Լաբորատոր պայմաններում արդեն հասել է 43,5%[3], 44,4 %[4], 44,7 %[5] ՕԳԳ արդյունավետության: Ուղղիչ դիոդների և էլեկտրամագնիսական ճառագայթման հաճախականությունների արդյունավետ ալեհավաքների պակասը, համապատասխան լույսը թույլ կտա ստեղծել ֆոտոէլեկտրական փոխարկիչներ՝ օգտագործելով քվանտի հատկությունները որպես էլեկտրամագնիսական ալիք և փոխարինող ֆոտովոլտային էներգիայի փոխարկիչների դիպոլային ալեհավաքում, որը տեսականորեն հնարավոր է: Նման սարքերից կարելի է ակնկալել ոչ միայն ավելի բարձր արդյունավետություն, այլև ավելի քիչ կախվածություն ջերմաստիճանից և դեգրադացիա ժամանակի հետ:

Ֆոտոէլեմենտի ֆիզիկական սկզբունքԽմբագրել

Էներգիայի վերածումը ֆոտոգալվանային փոխարկիչների հիմնված է ֆոտոէֆեկտների ազդեցության վրա, որը տեղի է ունենում արեգակնային ճառագայթման ազդեցության տակ գտնվող միատարր կիսահաղորդչային կառույցներում: Ֆոտոգալվանային փոխարկիչների կառուցվածքի աններդաշնակությունը կարելի է ձեռք բերել նույն կիսահաղորդչի տարբեր խառնուրդների դոպինգով՝ ստեղծելով p-n անցումով կամ տարբեր կիսահաղորդիչների միևնույն գոտու բացի հետ: Այն համատեղում են ատոմից էլեկտրոնների անջատման էներգիա և ստեղծում հետերոհանգույցներ: Կիսահաղորդչի քիմիական կազմը փոխվում է և արդյունքում գրադիենտը հայտնվում է արգելված գոտու լայնության՝ ստեղծելով աստիճանական բացերի կառուցվածքներ: Հնարավոր են նաև վերը նշված մեթոդների տարբեր համակցություններ[6]:

Փոխակերպման արդյունավետությունը կախված է միատարր կիսահաղորդչային կառուցվածքի էլեկտրաֆիզիկական բնութագրերից, ինչպես նաև ֆոտոգալվանային փոխարկիչների օպտիկական հատկություններից, որոնց թվում ամենակարևոր դերը խաղում է ֆոտոհաղորդակցությունը: Դա առաջանում է կիսահաղորդիչների ներքին ֆոտոէլեկտրական ազդեցության երևույթների պատճառով, երբ դրանք ճառագայթվում են արևի լույսով:

Ֆոտոգալվանային փոխարկիչների էներգիայի կորուստԽմբագրել

Ֆոտոգալվանային փոխարկիչների հիմնական էներգիայի կորուստները կապված են հետևյալի հետ.

  • փոխարկիչի մակերեսից արևային ճառագայթման արտացոլում
  • ճառագայթման մի մասի անցումը ֆոտոգալվանային փոխարկչի միջով՝ առանց դրա մեջ կլանման
  • ցանցի ջերմային թրթռումների վրա ֆոտոնային էներգիայի ավելցուկի ցրում
  • ձևավորված լուսանկար-զույգերի վերամիավորումով, մակերեսների վրա և ֆոտոգալվանային փոխարկչի ծավալում
  • փոխարկիչի ներքին դիմադրություն և որոշ այլ ֆիզիկական գործընթացներ։

Ֆոտոգալվանային փոխարկիչներում բոլոր տեսակի էներգիայի կորուստները նվազեցնելու համար մշակվում և հաջողությամբ կիրառվում են տարբեր միջոցառումներ: Դրանք ներառում են. Կիսահաղորդիչների օպտիմալ օգտագործումը արեգակնային ճառագայթման գոտու համար, կիսահաղորդչային կառուցվածքի հատկությունների ուղղված բարելավում` դրա օպտիմալ դոպինգի և ներկառուցված էլեկտրական դաշտերի ստեղծման միջոցով, ֆոտոգալվանային փոխարկչի նախագծման պարամետրերի օպտիմիզացում, p-n հանգույցի խորությունը, բազային շերտի հաստությունը, շփման ցանցի հաճախականությունը և այլն, բազմաֆունկցիոնալ օպտիկական ծածկույթների օգտագործումը, որոնք ապահովում են արևի բջիջների հակազդեցություն, ջերմային կառավարում և ֆոտոգալվանային փոխարկչի պաշտպանություն տիեզերական ճառագայթումից, ֆոտոգալվանային փոխարկիչների մշակում, որոնք թափանցիկ են արևի սպեկտրի երկար ալիքային շրջանում` հիմնական կլանման գոտու եզրից այն կողմ, կասկադային ֆոտոգալվանային փոխարկիչների ստեղծում հատուկ արգելված գոտու լայնության համար, հատուկ ընտրված կիսահաղորդիչներից, որոնք հնարավորություն են տալիս յուրաքանչյուր կասկադում վերափոխել նախորդ կասկադով անցած ճառագայթումը և այլն[7]:

Ֆոտոգալվանային փոխարկիչների արդյունավետության զգալի աճը ձեռք է բերվել երկկողմանի զգայունությամբ փոխարկիչներ ստեղծելու միջոցով՝ մինչև + 80% ՕԳԳ արդյունավետության համար: Լյումինեսցենտ վերարտադրող կառույցների կիրառությունները Ֆրենելի ոսպնյակները, արեգակնային սպեկտրի նախնական քայքայումը երկու կամ ավելի սպեկտրալ շրջանների: Օգտագործվում է առանձին ֆոտոգալվանային փոխարկիչներով բազմաշերտ թաղանթային ճառագայթների պառակտիչներ՝ սպեկտրի յուրաքանչյուր մասի հետագա վերափոխման հետ:

Արդյունաբերական օգտագործման ֆոտոէլեմենտներԽմբագրել

Արևային էլեկտրակայաններում կարելի է օգտագործել տարբեր տեսակի ֆոտոգալվանային փոխարկիչներ, բայց ոչ բոլորն են բավարարում այդ համակարգերի պահանջների ամբողջությանը.

  • բարձր հուսալիություն երկար (մինչև 25-30 տարի) ծառայության ժամկետով
  • հումքի բարձր մատչելիություն և զանգվածային արտադրություն կազմակերպելու հնարավորություն
  • ժամանակի առումով ընդունելի է փոխակերպման համակարգ ստեղծելու գնի ծախսի փոխհատուցում
  • էներգիայի և զանգվածի նվազագույն սպառում, կապված էներգիայի փոխակերպման և փոխանցման համակարգի կառավարման հետ, ներառյալ կայանի կողմնորոշումը և կայունացումը որպես ամբողջություն
  • պահպանման հեշտություն։

Որոշ խոստումնալից նյութեր անհրաժեշտ քանակությամբ արևային տեղակայանք ստեղծելու համար հումքի սահմանափակ բնական պաշարների կամ դրանց վերամշակման բարդության պատճառով դժվար է ձեռք բերել: Ֆոտոգալվանային փոխարկիչների էներգիայի և գործառնական բնութագրերի բարելավման համար ընտրված մեթոդները, օրինակ՝ ստեղծելով բարդ կառուցվածքներ, դրանք վատ համատեղելի են զանգվածային արտադրությունը ցածր գնով կազմակերպելու հնարավորությունների հետ և այլն: Բարձր արտադրողականության կարելի է հասնել միայն ֆոտոգալվանային փոխարկիչների ամբողջովին ավտոմատացված արտադրության կազմակերպմամբ, օրինակ՝ ժապավենային տեխնոլոգիայի հիման վրա և համապատասխան պրոֆիլի մասնագիտացված ձեռնարկությունների զարգացած ցանցի ստեղծմամբ: Այսինքն՝ մի ամբողջ արդյունաբերություն, մասշտաբային համեմատական ​​ժամանակակից ռադիոէլեկտրոնային արդյունաբերության հետ: Ֆոտոգալվանային բջիջների արտադրությունը և ավտոմատ գծերի վրա արևային տեղեկայանքների հավաքումը կապահովեն մարտկոցի ինքնարժեքի բազմակի կրճատում: Սիլիցիումը համարվում է արևային բջիջների ամենահավանական նյութերը, Cu(In,Ga)Se2 պղինձ-ինդիում-գալիում սելենիդ և GaAs գալիում արսենիդ։

Բացի այդ, ֆոտոէլեմենտներն օգտագործվում են պաշտպանական սարքերում, արդյունաբերական կառավարման համակարգերում, քիմիական անալիզատորներ, վառելիքի այրման կառավարման համակարգեր, ջերմաստիճանի վերահսկում, զանգվածային արտադրատեսակների որակի վերահսկման, լուսավորության չափումների համար, մակարդակի ցուցիչներում, հաշվիչ սարքերում, համաժամացման համար, դռան ավտոմատ բացող սարքերում, ժամանակի ռելեներում, ձայնագրող սարքերում:

ՆշումներԽմբագրել

  1. Ֆոտոէլեմենտը լույսի էներգիան էլեկտրականի վերածող հարմարանք է

Տես նաևԽմբագրել

ԳրականությունԽմբագրել

  • Саммер В. Фотоэлементы в промышленности. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. — 568 с. — 12 000 экз.
  • Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д.[10]
  • Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. — 4 изд.. — М., 1987.
  • Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. — 2 изд.. — М., 1988.
  • Marti A., Luque A. Next generation photovoltaics. — B&Ph.: Institute of physics publishing, 2004. — 344 с[11]

ԾանոթագրություններԽմբագրել

  1. Gevorkian Peter (2007)։ Sustainable Energy System Engineering: The Complete Green Building Design Resource (անգլերեն)։ McGraw Hill Professional։ ISBN 978-0-07-147359-0 
  2. «nitolsolar.com»։ www.nitolsolar.com։ Վերցված է 2021-03-05 
  3. Brown Nicholas (2011-04-19)։ «Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43.5% Efficiency»։ CleanTechnica (en-US)։ Վերցված է 2021-03-06 
  4. «газета»։ газета (en-US)։ Արխիվացված է օրիգինալից 2021-01-28-ին։ Վերցված է 2021-03-06 
  5. «Новый рекорд КПД фотоэлемента: 44,7%» (ru-RU)։ Վերցված է 2021-03-06  (չաշխատող հղում)
  6. Garcia Mark (2017-07-31)։ «International Space Station Solar Arrays»։ NASA։ Վերցված է 2021-03-09 
  7. Williams Neville (2005)։ «Chasing the sun : solar adventures around the world»։ Վերցված է 2021-03-09 
  8. «Гибкие элементы для солнечных батарей»։ www.nanometer.ru։ Վերցված է 2021-03-09 
  9. «Учёные изготовили гибкий экран на основе графена»։ nplit.ru։ Վերցված է 2021-03-09 
  10. «Andreev, Grilihes, Rumjancev. Fotoe'lektricheskoe preobrazovanie koncentrirovannogo solnechnogo izluchenija (Nauka, 1989)(ru)(T)(310s)_E_.djvu:Библиотека научной литературы: книги, журналы, статьи. E_Engineering/Andreev, Grilihes, Rumjancev. Fotoe'lektricheskoe preobrazovanie koncentrirovannogo solnechnogo izluchenija (Nauka, 1989)(ru)(T)(310s)_E_.djvu»։ web.archive.org։ 2016-03-04։ Վերցված է 2021-03-09 
  11. «Next generation photovoltaics : high efficiency through full spectrum utilization»։ Institute of Physics։ 2004։ Վերցված է 2021-03-09 

Արտաքին հղումներԽմբագրել