Кіріспе
Жарықтан электр тогының пайда болуы. Фотовольтаикалық эффект – жарыққа түскен кезде материалда кернеу мен электр тогының пайда болуы. Бұл физикалық құбылыс. Фотовольтаикалық эффект фотоэлектрлік эффектке тікелей байланысты. Екі құбылыста да жарық сіңіріледі, нәтижесінде электрон немесе басқа заряд тасымалдаушы жоғары энергия деңгейіне өтеді. Басты айырмашылық – фотоэлектрлік эффект термині көбінесе электрон материалдан (әдетте вакуумға) шығарылғанда қолданылады, ал фотовольтаикалық эффект – қозған заряд тасымалдаушысы материалдың ішінде қалғанда қолданылады. Екі жағдайда да зарядтардың бөлінуінен электр потенциалы (немесе кернеу) туындайды, және жарықтың энергиясы қозудың потенциалдық тосқауелін жеңуге жеткілікті болуы керек. Бұл айырмашылықтың физикалық мәні мынада: фотоэлектрлік эмиссия зарядтарды баллистикалық өткізгіштік арқылы бөледі, ал фотовольтаикалық эмиссия – диффузия арқылы, бірақ кейбір "қызу тасымалдаушыларға" негіделген фотовольтаикалық құрылғылардың концепциялары бұл айырмашылықты нашарлатады.
The photovoltaic effect is the generation of voltage and electric current in a material upon exposure to light. It is a physical phenomenon. The photovoltaic effect is closely related to the photoelectric effect. For both phenomena, light is absorbed, causing excitation of an electron or other charge carrier to a higher energy state. The main distinction is that the term photoelectric effect is now usually used when the electron is ejected out of the material (usually into a vacuum) and photovoltaic effect used when the excited charge carrier is still contained within the material. In either case, an electric potential (or voltage) is produced by the separation of charges, and the light has to have a sufficient energy to overcome the potential barrier for excitation. The physical essence of the difference is usually that photoelectric emission separates the charges by ballistic conduction and photovoltaic emission separates them by diffusion, but some "hot carrier" photovoltaic devices concepts blur this distinction.
Тарих
Эдмонд Беккерель 1839 жылы фотоэлектрлік әсерді алғаш рет электрохимиялық жасушаны пайдаланып көрсетті. Ол өзінің ашылуын "Компте рендес де л'Академия де Санс" басылымында былай түсіндірді: "Қышқыл, бейтарап немесе сілтілі ерітіндіге батырылған екі платина немесе алтын пластина күн сәулесіне теңсіз түскенде электр тогы пайда болады". Алғашқы күн батареясын 1884 жылы Чарльз Фритс сынап көрді, ол селен қабатынан және оның үстіне жабысқан жұқа алтын қабатынан тұрды, бірақ оның тиімділігі өте төмен болды. Дегенмен, фотоэлектрлік әсердің ең көп таралған түрі қатты күйдегі құрылғыларды, әсіресе фотодиодтарды пайдаланады. Күн сәулесі немесе жеткілікті энергиясы бар басқа жарық фотодиодқа түскенде, валенттік аймақтағы электрондар энергияны сіңіріп, қозуға түсіп, өткізгіш аймаққа секіріп, бос күйге жетеді. Бұл қозуға түскен электрондар таралады, ал кейбіреулері түзетуге түйіскенге (әдетте диодтық p-n түйіскенге) жетеді, онда олар кіріктірілген потенциал (Гальвани потенциалы) арқылы n-типті жартылай өткізгіш материалға дейін үдетіледі. Бұл электр қозғаушы күш пен электр тогын тудырады, соның нәтижесінде жарық энергиясының бір бөлігі электр энергиясына айналады. Фотоэлектрлік әсер екі фотон бірдей сіңірілгенде, екі фотонды фотоэлектрлік әсер деп аталатын процесте де пайда болуы мүмкін.
Физика
Бос электрондардың тікелей фотоэлектрлік қозуынан өзге, электр тогы Seebeck эффектісі арқылы да пайда болуы мүмкін. Электромагниттік сәулелерді сіңіру арқылы өткізгіш немесе жартылай өткізгіш материалды қыздырғанда, бұл қыздыру жартылай өткізгіш материалдағы температура градиенттерінің немесе материалдар арасындағы температура айырмашылықтарының ұлғаюына алып келуі мүмкін. Бұл жылулық айырмашылықтар өз кезегінде кернеу тудырады, себебі электрон энергия деңгейлері әртүрлі аймақтарда әртүрлі түрде ығысады, бұл аймақтар арасындағы потенциал айырмашылығын жасайды, ал ол электр тогын тудырады. Фотоэлектрлік эффектінің Seebeck эффектісіне салыстырмалы үлесі құрамына кіретін материалдардың көптеген қасиеттеріне байланысты. Жоғарыда аталған барлық эффектілер тұрақты ток тудырады, ал ауыспалы ток фотоэлектрлік эффектісін (AC PV) алғаш рет 2017 жылы Джорджия Технологиялық институтында доктор Хайянг Цу және профессор Чжун Лин Ван көрсеткен. AC PV эффектісі – материалдың қосылысына немесе интерфейсіне жарық мерзімді түрде түскен кезде тепе-теңдіксіз күйде ауыспалы ток (AC) пайда болуы. AC PV эффектісі ток тікелей шабуылдағы жиілікке күшті түрде байланысты деген сыйымдылық модельіне негізделген. AC PV эффектісі тепе-теңдіксіз жағдайда қосылыс/интерфейске жақын жартылай өткізгіштердің квази Ферми деңгейлері арасындағы салыстырмалы ығысу мен қайта бағытталудың нәтижесі деп есептеледі. Электрондар сыртқы тізбекте екі электрод арасындағы потенциал айырмашылығын теңестіру үшін алға-артқа ағып тұрады. Материалдарында бастапқы заряд тасымалдаушы концентрациясы жоқ органикалық күн батареяларында AC PV эффектісі байқалмайды.
Температураның әсері
Фотоэлектрлік модульдің өнімділігі қоршаған орта жағдайларына, негізінен модуль жазықтығындағы G жаһандық сәулелену қарқынына байланысты. Дегенмен, p–n түйіспесінің температурасы T негізгі электрлік параметрлерге де әсер етеді: қысқа тұйықталу тогы ISC, ашық тұйықталу кернеуі VOC және максималды қуат Pmax. G және T жағдайларының өзгеруіне байланысты PV элементтерінің мінез-құлқы туралы алғашқы зерттеулер бірнеше ондаған жыл бұрын жасалған.1 4 Жалпы алғанда, VOC-ның T-мен кері байланысы күшті екені белгілі, ал ISC үшін бұл байланыс тікелей, бірақ нашар, сондықтан бұл арту VOC-ның төмендеуін толықтырмайды. Осының салдарынан, T жоғарылағанда Pmax төмендейді. Күн элементінің шығыс қуаты мен оның түйіспесінің жұмыс температурасы арасындағы бұл байланыс жартылай өткізгіш материалға байланысты,2 және бұл T-ның PV элементінің ішіндегі еркін тасымалдаушылардың – яғни электрондар мен тесіктердің – концентрациясына, өмір сүру уақытына және жылдамдығына тигізетін әсерінен туындайды. Температураға сезімталдық әдетте бірнеше температуралық коэффициенттермен сипатталады, олардың әрқайсысы сол параметрдің түйіспе температурасына қатысты туындысын көрсетеді. Бұл параметрлердің мәндері кез келген PV модульдің техникалық сипаттамасында табылады; олар мыналар: – β VOC-ның T-ға қатысты өзгеру коэффициенті, ∂VOC/∂T арқылы беріледі. – α ISC-нің T-ға қатысты өзгеру коэффициенті, ∂ISC/∂T арқылы беріледі. – δ Pmax-тың T-ға қатысты өзгеру коэффициенті, ∂Pmax/∂T арқылы беріледі. Бұл коэффициенттерді эксперименттік деректерден есептеу әдістері әдебиеттен табуға болады. Сериялық кедергінің жасуша немесе модуль температурасына қатысты өзгеруін талдаған зерттеулер аз. Бұл тәуелділік ток-кернеу қисығын тиісті өңдеу арқылы зерттеледі. Сериялық кедергінің температуралық коэффициенті бір диодты немесе екі диодты модельді пайдалану арқылы есептеледі.
– β Coefficient of variation of VOC with respect to T, given by ∂VOC/∂T. – α Coefficient of variation of ISC with respect to T, given by ∂ISC/∂T. – δ Coefficient of variation of Pmax with respect to T, given by ∂Pmax/∂T. Techniques for estimating these coefficients from experimental data can be found in the literature. Few studies analyse the variation of the series resistance with respect to the cell or module temperature. This dependency is studied by suitably processing the current–voltage curve. The temperature coefficient of the series resistance is estimated by using the single diode model or the double diode one.
Күн элементтері
Көптеген фотоэлектрлік қолданыстарда сәулелену күн сәулесі болып табылады, ал құрылғылар күн батареялары деп аталады. Жартылай өткізгіш p–n (диодты) қосылыс күн батареясының жағдайында, материалды жарықтандыру электр тогын тудырады, себебі қозған электрондар мен бос орындар түзілу аймағының ішкі электр өрісімен әртүрлі бағытта жылжиды. AC PV тепе-теңдіксіз жағдайда жұмыс істейді. Алғашқы зерттеу p Si/TiO2 нанопленкасына негізделген. Pn қосылысына негізделген дәстүрлі фотоэлектрлік эффектісінен туындайтын DC шығысынан басқа, интерфейсте жыпылықтайтын жарық сәулесі түскен кезде AC тогы да пайда болады. AC PV эффектісі Ом заңына бағынбайды, ол ток chopper жиілігіне күшті түрде байланысты, ал кернеу жиіліктен тәуелсіз болатын сыйымдылық моделіне негізделген. AC-ның жоғары ауысу жиілігіндегі максималды тогы DC тогынан әлдеқайда жоғары болуы мүмкін. Шығыстың шамасы материалдардың жарық сіңіру қабілетімен де байланысты.