El principio de generación de energía de las células solares.

La energía solar es una fuente de energía renovable inagotable para la humanidad. Además es energía limpia y no produce ningún tipo de contaminación ambiental. Entre la utilización efectiva de la energía solar, la utilización de energía solar fotovoltaica a gran escala es el campo de investigación más dinámico y de más rápido crecimiento en los últimos años, y es uno de los proyectos de más alto perfil.

La producción de células solares se basa principalmente en materiales semiconductores. Su principio de funcionamiento es utilizar materiales fotoeléctricos para absorber la energía luminosa y luego someterse a una reacción de conversión fotoeléctrica. Dependiendo de los materiales utilizados, las células solares se pueden dividir. en: 1. Células solares de silicio; 2. Baterías hechas de sales inorgánicas como compuestos de arseniuro de galio III-V, sulfuro de cadmio, seleniuro de cobre e indio y otros compuestos de múltiples componentes; 3. Células solares grandes preparadas a partir de materiales poliméricos funcionales; Las células solares nanocristalinas esperan.

1. Células solares de silicio

1. Principio de funcionamiento y estructura de las células solares de silicio

El principio de generación de energía de las células solares es principalmente el efecto fotoeléctrico de los semiconductores. La estructura principal de los semiconductores generales es la siguiente:

En la figura. , las cargas positivas representan átomos de silicio y las cargas negativas representan átomos de silicio. La carga representa los cuatro electrones que rodean el átomo de silicio.

Cuando se agregan otras impurezas al cristal de silicio, como boro, fósforo, etc., cuando se agrega boro, se formará un agujero en el cristal de silicio. Su formación se puede ver en la siguiente figura. :

En la figura, la carga positiva representa el átomo de silicio y la carga negativa representa los cuatro electrones que rodean el átomo de silicio. El amarillo representa el átomo de boro incorporado. Debido a que solo hay 3 electrones alrededor del átomo de boro, se generará un agujero azul como se muestra en la imagen. Este agujero se vuelve muy inestable porque no tiene electrones y puede absorber electrones y neutralizarlos fácilmente. para formar un semiconductor tipo P (positivo).

De manera similar, después de dopar un átomo de fósforo, debido a que el átomo de fósforo tiene cinco electrones, un electrón se volverá muy activo, formando un semiconductor de tipo N (negativo). Los amarillos son los núcleos de fósforo y los rojos son los electrones extra. Como se muestra a continuación.

Los semiconductores tipo N contienen más huecos, mientras que los semiconductores tipo P contienen más electrones. De esta manera, cuando se combinan semiconductores tipo P y tipo N, se formará una diferencia de potencial en la superficie de contacto. , este es el cruce PN.

Cuando se combinan semiconductores tipo P y tipo N, se formará una capa delgada especial en el área de interfaz de los dos semiconductores. El lado tipo P de la interfaz está cargado negativamente. el lado tipo N está cargado negativamente. Esto se debe a que el semiconductor tipo P tiene muchos huecos y el semiconductor tipo N tiene muchos electrones libres, lo que resulta en una diferencia de concentración. Los electrones en la región N se difundirán hacia la región P, y los huecos en la región P se difundirán hacia la región N. Una vez difundidos, se forma un "campo eléctrico interno" que apunta de N a P, evitando así la difusión. Después de alcanzar el equilibrio, se forma una capa delgada especial para formar una diferencia de potencial, que es la unión PN.

Cuando la oblea recibe luz, en la unión PN, los huecos del semiconductor tipo N se mueven a la región tipo P, y los electrones de la región tipo P se mueven a la región tipo N , formando así una transición de la región de tipo N a la región de tipo P actual. Luego se crea una diferencia de potencial en la unión PN, que crea una fuente de energía. (Como se muestra en la siguiente figura)

Dado que los semiconductores no son buenos conductores de electricidad, si los electrones fluyen en el semiconductor después de pasar por la unión p-n, la resistencia será muy grande y la pérdida será muy grande. . Sin embargo, si la capa superior está completamente recubierta con metal, la luz solar no puede pasar y no se puede generar corriente. Por lo tanto, la unión p-n generalmente se cubre con una malla metálica (como se muestra en el electrodo de peine) para aumentar el área de incidencia. luz.

Además, la superficie del silicio es muy brillante y reflejará una gran cantidad de luz solar y no puede ser utilizada por baterías. Para ello, los científicos lo cubrieron con una película protectora con un coeficiente de reflexión muy pequeño (como se muestra en la imagen), reduciendo la pérdida por reflexión al 5% o menos. Después de todo, la corriente y el voltaje que una batería puede proporcionar son limitados, por lo que la gente usa muchas baterías (generalmente 36) en paralelo o en serie para formar paneles solares fotovoltaicos.

2. Proceso de producción de células solares de silicio

Normalmente, las células solares de silicio cristalino se fabrican a partir de obleas de silicio de alta calidad con un espesor de 350 a 450 μm, que se cortan a partir de lingotes de silicio extraídos o fundidos.

El método anterior en realidad consume más material de silicio.

Para ahorrar materiales, actualmente se utilizan métodos de deposición química de vapor para preparar baterías de película delgada de polisilicio, incluidos los procesos de deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) y deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). Además, también se pueden utilizar métodos de epitaxia en fase líquida (LPPE) y deposición por pulverización catódica para preparar células de película delgada de silicio policristalino.

La deposición química de vapor utiliza principalmente SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4 o SiH4 como gas de reacción. Reacciona bajo una determinada atmósfera protectora para generar átomos de silicio y los deposita sobre un sustrato calentado. El material del sustrato es generalmente Si. , SiO2, Si3N4, etc. Sin embargo, los estudios han encontrado que es difícil formar granos más grandes en sustratos sin silicio y es fácil formar espacios entre los granos. La forma de resolver este problema es utilizar primero LPCVD para depositar una fina capa de silicio amorfo sobre el sustrato, luego recocer esta capa de silicio amorfo para obtener granos más grandes y luego depositarla sobre esta capa de película gruesa de polisilicio. por lo tanto, la tecnología de recristalización es sin duda un vínculo muy importante. Las tecnologías utilizadas actualmente incluyen principalmente el método de cristalización en fase sólida y el método de recristalización por fusión en la zona media. Además del proceso de recristalización, las células de película fina de silicio policristalino también adoptan casi todas las técnicas para preparar células solares de silicio monocristalino. La eficiencia de conversión de las células solares así producidas mejora significativamente.

3. Las células solares químicas nanocristalinas

Las células solares a base de silicio son sin duda las más maduras entre las células solares. Sin embargo, debido a su elevado coste, están lejos de ser adecuadas para grandes empresas. -Escala de promoción y requisitos de solicitud. Con este fin, la gente ha estado explorando constantemente aspectos como la tecnología, nuevos materiales y baterías de película delgada. Entre ellos, las células solares químicas de cristal nano-TiO2 recientemente desarrolladas han atraído la atención de científicos nacionales y extranjeros.

Tomemos como ejemplo las células solares de nanocristales sensibilizados por tinte (DSSC). Este tipo de batería incluye principalmente un sustrato de vidrio recubierto con una película conductora transparente, un material semiconductor sensibilizado por tinte, un contraelectrodo y un. electrólito.

Ánodo: película semiconductora sensibilizada por colorante (película de TiO2)

Cátodo: vidrio conductor recubierto de platino

Electrolito: I3-/I-

Como se muestra en la figura, las bolas blancas representan TiO2 y las bolas rojas representan moléculas de tinte. Las moléculas de tinte absorben energía solar y saltan al estado excitado. El estado excitado es inestable. Los electrones se inyectan rápidamente en la banda de conducción de TiO2 adyacente. Los electrones perdidos en el tinte son rápidamente compensados ​​por el electrolito y los electrones que ingresan al TiO2. La banda de conducción finalmente ingresa. La película conductora genera fotocorriente a través del bucle externo.

Las ventajas de las células solares nanocristalinas de TiO2 radican en su bajo coste, proceso sencillo y rendimiento estable. Su eficiencia fotoeléctrica es estable en más del 10% y su costo de producción es sólo de 1/5 a 1/10 del de las células solares de silicio. La vida útil puede alcanzar más de 20 años. Sin embargo, dado que la investigación y el desarrollo de este tipo de batería acaba de comenzar, se espera que poco a poco vaya entrando al mercado en un futuro próximo.

4. Producción manual de células solares de TiO2 sensibilizadas con colorante

1. Fabricación de una película de dióxido de titanio

(1) Primero coloque el polvo de dióxido de titanio en un mortero. y mézclelo con Moler el adhesivo

(2) Luego use una varilla de vidrio para cubrir lentamente el vidrio conductor

(3) Coloque la película de dióxido de titanio debajo de una lámpara de alcohol y sinterice durante 10 a 15 segundos minutos, luego enfríe

2. Use tintes naturales para colorear el dióxido de titanio

Como se muestra en la imagen, agregue ciruelas negras, ciruelas de montaña, semillas de granada o frescas o congeladas. té negro, agregue una cucharada de agua y exprímalo, luego coloque la película de dióxido de titanio para colorear. Pasarán aproximadamente 5 minutos hasta que la capa de la película se vuelva de color púrpura oscuro. Si la coloración de la capa de la película es desigual en ambos lados, usted. Puede ponerlo y remojarlo durante otros 5 minutos, y luego usar etanol enjuagar y secar suavemente con papel suave.

3. Haz el electrodo positivo.

El TiO2 coloreado con tinte es el electrodo del que salen los electrones (el electrodo negativo). El electrodo positivo puede estar compuesto por la superficie conductora de vidrio conductor (recubierta con una capa de película conductora de SnO2). Puede usar un multímetro simple para determinar qué lado del vidrio es conductor. También puede usar los dedos para juzgar. La superficie conductora es rugosa.

Como se muestra en la imagen, marque la superficie no conductora con " " y luego use un lápiz para aplicar uniformemente una capa de grafito sobre la superficie conductora.

4. Añadir electrolito

Utilizar una solución que contenga iones de yoduro como electrolito de las células solares. Se utiliza principalmente para reducir y regenerar colorantes. Como se muestra en la imagen, simplemente agregue una o dos gotas de electrolito en la superficie de la película de dióxido de titanio.

5. Ensamble la batería

Coloque la membrana de dióxido de titanio coloreada boca arriba sobre la mesa, deje caer una o dos gotas de electrolito que contenga yodo e iones de yodo sobre la membrana y luego colóquela. El lado conductor del electrodo positivo presiona la membrana de dióxido de titanio. Escalone ligeramente las dos piezas de vidrio y use dos abrazaderas para sujetar la batería. Las partes expuestas de las dos piezas de vidrio se usan para conectar los cables. De esta forma, tu célula solar estará lista.

6. Prueba de batería

Prueba si tu célula solar puede producir corriente bajo la luz solar exterior.