У всі часи людство прагнуло використовувати по максимуму блага надані природою. Доказ тому винайдені сонячні батареї. Принцип роботи сонячних батарей досить простий. Саме завдяки їм раніше наші калькулятори працювали в будь-який час доби, влітку і взимку, незалежно від виду і частої зміни батарейки. Сучасний світ характеризується застосуванням сонячної енергії в різних сферах і масштабах, починаючи від актуальних планшетів і закінчуючи літаками. Про те, як влаштована сонячна батарея, її види та принцип роботи Вас проінформує дана стаття.
Трохи з історії
Як відомо, сонячна батарея є не першим винаходом, що використовують всеохоплюючу енергію Сонця в якості альтернативи електричної енергії. Перші спроби застосування сонячного світла - термінальні електростанції, які мають більш поширена назва як «колектори». Принцип їх дії полягав в нагріванні води до 100 ° С за допомогою сонячних променів, підсумком чого ставала вироблення електрики. Робота колекторів складалася з багатоступеневою трансформації енергії: скупчення сонячних променів, кип'ятіння рідини, утворення пари, рух парового двигуна і перетворення теплової енергії в механічну.
На відміну від колектора сонячна батарея безпосередньо трансформують продукцію Сонця в електричну енергію. Також слід зазначити таку особливість сонячної батареї, як використання світла, а не тепла, що дозволяє утворювати електроенергію навіть взимку.
На сьогоднішній день принцип роботи цих пристроїв грунтується на перетворенні дії променів в електричний струм (фотоелектричний ефект) за допомогою спеціальних напівпровідників, які і складають всю батарею.
Першовідкривачами фотоефекту є три заслужених вчених фізика. Саме явище такого процесу описав фізик французького походження - Олександр Едмон Беккерель в 1839 році. Далі в 1873 році був відкритий перший напівпровідник для здійснення дії фотоелектричного ефекту англійським інженером-електриком Віллоубі Сміт. А більш детально були описані принцип роботи, схема сонячної батареї і підтверджені закони попередніх відкривачів в 1905 році всесвітньо відомим лауреатом Нобелівської премії Альбертом Ейнштейном.
Визначення й основи трансформації енергії
Пристрій сонячної батареї складається з пластини, оснащеної ланцюжком з'єднаних напівпровідників (фотоелементів). Фотоелементи виконують функцію перетворення сонячного світла в електричний струм. Тому для того, щоб зрозуміти принцип дії цього механізму, слід вивчити його основи, а саме фотоелементи.
Фотоелементи - напівпровідники, що трансформують дію квантів електромагнітного випромінювання, здатних рухатися лише зі швидкістю світла, в електричну енергію. Процес цієї трансформації називається фотоелектричним ефектом, які з'являтимуться під впливом сонячного світла на структури фотоелемента. Особливість структури полягає в неоднорідності, яку створюють за допомогою сплавів різних матеріалів і домішок для зміни її властивостей з точки зору фізики і хімії.
Ці самі домішки створюють негативні і позитивні переходи (р- n), які є основою роботи двох напівпровідників і провідності між ними. Крім цього методу, що утворює неоднорідність структури фотоелементів, застосовуються також такі:
- об'єднання, що розрізняються по ширині забороненої зони, напівпровідників;
- зміна хімічного складу фотоелемента з метою освіти варізонних структури;
- комбінування перерахованих вище способів.
Трансформація енергії безпосередньо залежить від фізичних і електричних властивостей структури і електричної провідності напівпровідників (фотопровідність). Фотоелемент складається з різного типу електронів і шарів їх. Як електрод, на якому виникає заряд, виступає негативний тип, і відповідно, анодом (приймачем) цього заряду є позитивний тип. Накопичення сонячної енергії відбувається таким чином: що виходять з негативного шару під впливом сонячних променів, електрони беруть аноди. Виходячи з шару позитивних електронів, вони повертаються у вихідне місце. Далі дії повторюються. Зважаючи на це енергія Сонця залишається всередині пристрою.
Класифікація
Залежно від матеріалу і методу виготовлення розрізняють такі види сонячних батарей: кремнієві і плівкові.
Крем'яні батареї - пристосування, основною діючою матеріалом яких є кремній. Кремній характеризується високою продуктивністю порівняно з іншими матеріалами, використовуваними для створення даних пристроїв, тому користується великим попитом. За своєю структурою кремнієві пристрої діляться на три підвиди:
Монокристалічні батареї - пристрої, що складаються з силіконових осередків, з'єднаних один з одним. Такі пристосування виробляються за умови використання абсолютно чистого кремнію, видобутого способом вирощування кристалів Чохральського. Коли монокристал переходить в тверду форму, його поділяють на найтонші пластини. Монокристалічні пластини з'єднують з сіткою металевих електродів. Дана технологія виробництва сонячних пристроїв досить дорога. Тому використовується рідше, хоча має порівняно високий коефіцієнт корисної дії (ККД), близько 22%. У зимовий час за рахунок короткого світлового дня батареї менш продуктивні. 
Полікристалічні батареї - пристрої, які складаються з полікристалів, отриманих шляхом повільного охолодження сплаву кремнію. Техніка виробництва таких пристроїв обходиться значно дешевше, ніж монокристалічних батарей. Але разом із зниженням вартості пристрою, зменшується його ККД на 4-5 одиниць. Це обумовлено утворенням в полікристалах зон з зернистими межами, що знижують ефективність фотоелементів. - Аморфні батареї - пристосування, вироблені за допомогою пл
yoночной технології з кремневодорода або силану. ККД аморфних батарей становить всього 5%, але вони мають ряд особливих переваг, таких як: гнучкість, ефективність дії при похмурій погоді взимку і товщину 1 мкм.
Плівкові пристрої діляться на такі види:
- на основі телуриду кадмію з використанням плівкового технології;
- на основі сплаву міді, індію та селену, ККД таких пристроїв становить 16-20%;
- полімерні плівкові пристрої, вироблені з органічних фотоелементів, ККД яких становить 5-6%.
Схема підключення сонячних батарей полягає в розрахунку навантаження і налаштування контролера заряду. Найпростішу схему можна розглянути на прикладі садового ліхтаря. Такі садові ліхтарі поступово знаходять широке поширення за рахунок яскравого освітлення доріжок, газонів і присадибних ділянок. Взимку світло садових ліхтарів на сонячному харчуванні відрізняється меншою яскравістю, ніж в іншу пору. Схема в даному випадку складається з світлочутливого елемента, накопичувального акумулятора, сонячної батареї.
На сьогоднішній день ведуться розробки по виробництву масштабних полів сонячних батарей на території Антарктики. Такі електростанції будуть накопичувати енергії протягом піврічного полярного дня, що настає на північних територіях - в літній час, а на півдні - в зимовий. Сонячна енергія є гідною альтернативою електричного струму, тому спектр її застосування широкий. Батареї, що працюють від сонячного світла, використовують навіть для виробництва космічних апаратів.