Saules šūnas darbības principus skaidro pusvadītāju fizika.
saules šūna
cietvielu elektronikas ierīce, kurā gaismas enerģija tiek pārvērsta elektriskajā; darbības pamatā ir fotovoltaiskais efekts – fizikāla un ķīmiska parādība, kas izpaužas kā elektriskā potenciāla starpības parādīšanās, ja uz materiālu krīt elektromagnētiskais starojums
Saistītie šķirkļi
Saules šūna.
Satura rādītājs
Iedalījums, struktūra
Balstoties uz materiāla izvēles apsvērumiem, saules šūnas iedala trīs paaudzēs:
1. paaudze – monokristāliskā vai polikristāliskā silīcija saules šūnas;
2. paaudze – amorfā silīcija vai kadmija telurīda (CdTe) plāno kārtiņu saules šūnas;
3. paaudze – dažādu jauno tehnoloģiju, kas balstītas uz nanokristāliskiem, polimēru vai perovskitu struktūras materiāliem, saules šūnas.
Izgudrošanas un attīstības vēsture
Fotovoltaisko efektu pirmoreiz eksperimentāli 1839. gadā demonstrēja franču fiziķis Edmunds Bekerels (Alexandre-Edmond Becquerel). Gaismas inducētas elektrisko īpašību izmaiņas tika novērotas sistēmā ar platīna elektrodiem, kas bija apklāti ar sudraba hlorīdu vai bromīdu. Par pirmo cietvielu fotovoltaisko šūnu var uzskatīt 1883. gadā amerikāņu izgudrotāja Čārlza Fritsa (Charles Fritts) radīto ierīci, kurā selēna pusvadītājs bija apklāts ar plānu zelta slāni. Sākotnējo ierīču efektivitāte sasniedza tikai 1 %. Nozīmīgs devums fotoelektrisko parādību izpratnē bija fiziķa Alberta Einšteina (Albert Einstein) 1905. gadā piedāvātais gaismas kvantu teorijas izklāsts, par kuru 1921. gadā viņam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Saules šūnu tehnoloģiju attīstībai bija nepieciešams progress pusvadītāju materiālu fizikā un iegūšanas tehnoloģijās. AT&T Bella laboratorijas inženieris Rasels Ols (Russell Shoemaker Ohl) 1939. gadā atklāja p-n pāreju – visu cietvielas elektronikas ierīču pamatelementu. R. Ols patentu par pirmo moderno p-n pārejas saules elementu iesniedza 1946. gadā. Fiziķi Bella laboratorijā turpināja darbu pie izmantoto materiālu optimizācijas, un 1954. gadā tika izveidots praktiski izmantojams saules elements. Džeralda Pīrsona (Gerald Pearson), Kelvina Fullera (Calvin Souther Fuller) un Derila Čepina (Daryl Muscott Chapin) izgudrotās ierīces pamatā bija silīcijs, kas Saules enerģiju elektriskajā pārvērta ar 6 % efektivitāti. Par vienu no pirmajiem nozīmīgajiem saules šūnu pielietojumiem kļuva elektroenerģijas nodrošināšana 1958. gadā palaistajam satelītam “Vanguard 1”.
Raksturojums, sastāvdaļas, materiāli, darbības principi
Klasisko silīcija saules šūnu darbības pamatā ir fotoelektriskie procesi p-n pārejas apgabalā.
Ja apgabals tiek pakļauts pietiekami augstas enerģijas elektromagnētiskajam starojumam (jāizpildās nosacījumam, ka gaismas kvanta – fotona – enerģija ir lielāka par materiāla aizliegtās zonas platumu), tajā tiek izjaukts termiskais līdzsvars un rodas elektronu un caurumu pāri. P-n pārejas iekšējā elektriskā lauka dēļ elektroni pārvietojas uz materiāla n apgabalu, bet caurumi – uz p apgabalu. Rezultātā dažādos materiāla reģionos rodas atšķirīgu zīmju lādiņnesēju pārsvars. Lai iegūtu elektrisko enerģiju, apgabaliem jāpievieno elektriskie kontakti un jānoslēdz ķēde. Elektroni, caur ārējo ķēdi pārvietojoties no n-tipa apgabala atpakaļ uz p-tipa, atdod savu enerģiju ķēdē pieslēgtajai slodzei un nodrošina tās darbību.
Lai starojuma fotoni sasniegtu p-n pāreju, pret Sauli vērsto (parasti) p-tipa apgabalu veido pēc iespējas plānāku. Starojumam pakļautā šūnas puse tiek pārklāta ar caurspīdīgiem elektrodiem un aizsargstiklu. Šūnas otrā pusē ir aizmugures elektriskie kontakti un pamatne. Saules šūnas konstrukciju parasti kopā satur alumīnija rāmis. Vairākas saules šūnas kombinē kopā, lai izveidotu saules paneļus.
Saules elementa struktūras shematisks attēlojums.
Pielietojums zinātnē, pētniecībā
Vislielākais potenciāls saules šūnu pielietojumam ir vietās, kur citi elektrības ražošanas veidi ir nepieejami vai ir pārāk dārgi. Papildu saules paneļu konstrukcijās nav nepieciešamas kustīgas detaļas, kas ātri nolietojas, vai degviela, kas regulāri jāpapildina, tāpēc tie ir piemērots enerģijas ieguves veids kosmosa izpētē. Gan satelītu komunikācijās, gan kosmosa stacijās saules elementi nodrošina lielu daļu no ierīcēm nepieciešamās elektrības padeves. Piemēram, saules paneļu masīvi uz Starptautiskās Kosmosa stacijas (International Space Station) katrā 35 m garajā spārnā satur gandrīz 33 000 saules elementu, kopā nodrošinot 84‒120 kW jaudu.
Pielietojums tautsaimniecībā, ražošanā
Galvenais saules šūnu pielietojums ir enerģētikā – ar to starpniecību Saules starojums tiek pārvērsts elektriskajā enerģijā. Saules enerģija ir visstraujāk augošā atjaunojamo enerģijas avotu industrijā, veidojot aptuveni 1 % no kopējā saražotā enerģijas daudzuma.
Saules elementus var uzstādīt atsevišķām mājsaimniecībām, lai nodrošinātu daļu no nepieciešamās energopadeves vajadzībām. Saules šūnu tehnoloģijas (saules kolektorus) var arī izmantot ūdens un telpu apsildei.
Nozīmīgākie ražotāji
Nozīmīgākie saules šūnu ražotāji ir Canadian Solar, Hanwha Q Cells, JinkoSolar, Trina Solar, SunPower Corp, JA Solar.
Mūsdienu atklājumi, problemātika
Lai Saules enerģija kļūtu par galveno enerģijas industrijā, ir jāstrādā pie saules šūnu aktīvo materiālu īpašību optimizācijas – jāpaaugstina enerģijas pārveidošanas efektivitāte, jāpagarina saules šūnu darbības mūžs un jāsamazina ražošanas izmaksas. Kā aktuāli trešās paaudzes saules šūnu risinājumi tiek pētīti krāsvielu jutīgie (dye sensitized), kvantu punktus saturošie un perovskita tipa materiāli, kā arī pusvadītāju materiālu slāņu struktūras.
Interesanta koncepcija ir Saules enerģijas iegūšana kosmosā (Space-based solar) un pārraidīšana uz Zemi. Lai gan šādai sistēmai ir vairākas priekšrocības – krietni augstāka starojuma intensitāte, dienas/nakts cikla neesamība –, milzīgās izmaksas, piemērotu tehnoloģiju trūkums un bīstamība pagaidām padara šo ieceri nerealizējamu.
Multivide
Saules šūna.
Saules elementa struktūras shematisks attēlojums.