Principe de cellule solaire

Le soleil brille sur la jonction pn du semi-conducteur pour former une nouvelle paire trou-électron. Sous l'effet du champ électrique intégré dans la jonction pn, les trous photo-générés s'écoulent vers la région p, et les électrons photo-générés s'écoulent vers la région n. Une fois le circuit connecté, le courant est généré. C'est le principe de fonctionnement des cellules solaires à effet photoélectrique.
Il existe deux manières de générer de l'énergie solaire, l'une est la conversion lumière-chaleur-électricité et l'autre est la conversion directe lumière-électricité.
Conversion photothermique-électrique
Le mode de conversion lumière-chaleur-électricité génère de l'électricité en utilisant l'énergie thermique générée par le rayonnement solaire. Généralement, l'énergie thermique absorbée est convertie en vapeur de fluide de travail par le capteur solaire, puis la turbine à vapeur est entraînée pour générer de l'électricité. Le premier processus est le processus de conversion lumière-chaleur ; Ce dernier processus est le processus de conversion chaleur-électricité, qui est le même que la production d'énergie thermique ordinaire. L'inconvénient de la production d'énergie solaire thermique est que son rendement est très faible et son coût très élevé. On estime que son investissement est au moins 5 à 10 fois supérieur à celui des centrales thermiques ordinaires. Une centrale solaire thermique de 1 000 MW nécessite d'investir 2 à 2,5 milliards de dollars américains, avec un investissement moyen de 1 kW de 2 000 à 2 500 dollars américains. Par conséquent, il ne peut être appliqué qu'à des occasions spéciales à petite échelle, tandis qu'une utilisation à grande échelle n'est pas économique et ne peut pas rivaliser avec les centrales thermiques ordinaires ou les centrales nucléaires.
Conversion optique-électrique directe
La production d'énergie des cellules solaires est réalisée en fonction des propriétés photoélectriques de matériaux spécifiques. Les corps noirs (comme le soleil) émettent des ondes électromagnétiques de différentes longueurs d'onde (correspondant à différentes fréquences), telles que l'infrarouge, l'ultraviolet, la lumière visible, etc. Lorsque ces rayons sont irradiés sur différents conducteurs ou semi-conducteurs, les photons interagissent avec les électrons libres dans les conducteurs ou des semi-conducteurs pour générer du courant. Plus la longueur d'onde est courte et plus la fréquence du rayon est élevée, plus son énergie est élevée. Par exemple, l'énergie des rayons ultraviolets est beaucoup plus élevée que celle des rayons infrarouges. Cependant, l'énergie des rayons de toutes les longueurs d'onde ne peut pas être convertie en énergie électrique. Il est à noter que l'effet photovoltaïque est indépendant de l'intensité des rayons. Le courant ne peut être généré que lorsque la fréquence atteint ou dépasse le seuil pouvant produire l'effet photovoltaïque. La longueur d'onde maximale de la lumière qui peut amener le semi-conducteur à produire un effet photovoltaïque est liée à la largeur de bande interdite du semi-conducteur. Par exemple, la largeur de bande interdite du silicium cristallin est d'environ 1,155 eV à température ambiante. Par conséquent, seule la lumière avec une longueur d'onde inférieure à 1100nm peut faire en sorte que le silicium cristallin produise un effet photovoltaïque. La production d'énergie par cellules solaires est une méthode de production d'énergie renouvelable et respectueuse de l'environnement. Il ne produira pas de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et ne polluera pas l'environnement. Selon les matériaux de production, il peut être divisé en batterie à semi-conducteur à base de silicium, batterie à couche mince CdTe, batterie à couche mince CIGS, batterie à couche mince à colorant, batterie en matériau organique, etc. Parmi elles, les cellules au silicium sont divisées en monocristal cellules, cellules polycristallines et cellules à couches minces de silicium amorphe. Le paramètre le plus important pour les cellules solaires est le rendement de conversion. Parmi les cellules solaires à base de silicium développées en laboratoire, l'efficacité des cellules en silicium monocristallin est de 25,0 %, l'efficacité des cellules en silicium polycristallin est de 20,4 %, l'efficacité des cellules à couche mince CIGS est de 19,6 %, l'efficacité des cellules à couche mince CdTe est de 16,7 % et l'efficacité des cellules à couche mince de silicium amorphe (silicium amorphe) est de 10,1 %
La cellule solaire est une sorte d'élément photoélectrique capable de convertir l'énergie. Sa structure de base est réalisée en combinant des semi-conducteurs de type P et de type N. Le matériau le plus basique des semi-conducteurs est le "silicium", qui est non conducteur. Cependant, si différentes impuretés sont mélangées dans les semi-conducteurs, ils peuvent être transformés en semi-conducteurs de type P et de type N. Ensuite, les semi-conducteurs de type P ont un trou (les semi-conducteurs de type P ont un électron de moins avec une charge négative, qui peut être considérée comme une charge positive de plus), et les semi-conducteurs de type N ont une différence de potentiel d'électron libre de plus pour générer du courant, donc lorsque le soleil brille, l'énergie lumineuse excite les électrons dans l'atome de silicium pour produire la convection des électrons et des trous. Ces électrons et trous seront affectés par le potentiel intégré et seront attirés respectivement par les semi-conducteurs de type N et de type P, et se rassembleront aux deux extrémités. À ce moment, si l'extérieur est connecté avec des électrodes pour former un circuit, c'est le principe de la production d'énergie par cellule solaire.
En bref, le principe de la production d'énergie solaire photovoltaïque consiste à utiliser des cellules solaires pour absorber la lumière du soleil 0.4 μ m-1.1 μ M de longueur d'onde (pour le cristal de silicium), qui convertit directement l'énergie lumineuse en électricité. production d'énergie.
Étant donné que l'électricité générée par les cellules solaires est en courant continu, s'il est nécessaire d'alimenter des appareils électroménagers ou divers appareils électriques, il est nécessaire d'installer un convertisseur DC/AC pour le remplacer par du courant alternatif avant de pouvoir l'alimenter en courant domestique ou électrique. puissance industrielle.
Le développement de la charge des cellules solaires L'application des cellules solaires dans les biens de consommation pose principalement le problème de la charge. Dans le passé, les objets de charge généraux utilisaient des piles sèches NiMH ou NiCd, mais les piles sèches NiMH ne peuvent pas résister à des températures élevées, et les piles sèches NiCd ont le problème de la pollution de l'environnement. Avec le développement rapide des supercondensateurs, de grande capacité, de surface anti-rétrécissement et de prix bas, certains produits solaires ont commencé à utiliser des supercondensateurs comme objets de charge, améliorant ainsi de nombreux problèmes de charge solaire :
Charge rapide,
La durée de vie est plus de 5 fois plus longue,
La plage de température de charge est large,
Réduire la consommation de cellules solaires (peut être chargée à basse tension)