Полупроводнички фотонапонски претварачи енергије (фотоћелије)
Фотоћелије су електронски уређаји дизајнирани да претварају енергију фотона у енергију електричне струје.
Историјски гледано, први прототип модерне фотоћелије је измишљен Алекандер Г. Столетов крајем 19. века. Он ствара уређај који ради на принципу спољашњег фотоелектричног ефекта. Прва експериментална инсталација састојала се од пара паралелних равних металних лимова, од којих је један био направљен од мреже како би светлост прошла, а други је био чврст.
На листове је примењен константни напон, који се могао подесити у опсегу од 0 до 250 волти. Позитивни пол извора напона био је повезан са мрежном електродом, а негативни пол са чврстим. У шему је укључен и осетљив галванометар.
Када је чврсти лист био осветљен светлошћу електричног лука, игла галванометра одбијен, што указује да се у колу генерише једносмерна струја упркос чињеници да између дискова постоји ваздух.У експерименту, научник је открио да величина "фотострује" зависи и од примењеног напона и од интензитета светлости.
Компликујући инсталацију, Столетов поставља електроде у цилиндар из којег се евакуише ваздух, а ултраљубичасто светло се доводи до осетљиве електроде кроз кварцни прозор. Дакле, било је отворено фото ефекат.
Данас, на основу овог ефекта, функционише фотонапонски претварачи… Они реагују на електромагнетно зрачење које пада на површину елемента и претварају га у излазни напон. Пример таквог претварача је соларна ћелија… Исти принцип користе и фотоосетљиви сензори.
Типична фотоћелија се састоји од слоја фотоосетљивог материјала високе отпорности у сендвичу између две проводне електроде. Као фотонапонски материјал за соларне ћелије, обично се користи полупроводник, који, када је потпуно осветљен, може дати 0,5 волти на излазу.
Такви елементи су најефикаснији са становишта генерисане енергије, јер омогућавају директан пренос енергије фотона у једном кораку — у електричној струји... У нормалним условима, ефикасност од 28% је норма за такве елементе.
Овде се јавља интензиван фотоелектрични ефекат због нехомогености полупроводничке структуре радног материјала.Ова нехомогеност се добија или допирањем полупроводничког материјала који се користи различитим нечистоћама, чиме се ствара пн спој, или повезивањем полупроводника са различитим величинама празнина (енергија при којој електрони напуштају своје атоме) — тако се добија хетероспој, или избором такве хемикалије композиција полупроводника у којој се градијент размака - структура са степенастим зазором - појављује унутра. Као резултат тога, ефикасност датог елемента зависи од карактеристика нехомогености добијених унутар одређене полупроводничке структуре, као и од фотопроводљивости.
Да би се смањили губици у соларној ћелији, у њиховој производњи се користе бројни прописи. Прво, користе се полупроводници чији је појас оптималан само за сунчеву светлост, на пример једињења силицијума и галијум арсенида.Друго, својства структуре се побољшавају оптималним допирањем. Предност се даје хетерогеним и степенастим структурама. Одабиру се оптимална дебљина слоја, дубина п-н-споја и најбољи параметри контактне мреже.
Стварају се и каскадни елементи, где ради неколико полупроводника са различитим фреквентним опсезима, тако да након проласка кроз једну каскаду светлост улази у следећу итд. Идеја о разградњи соларног спектра изгледа обећавајуће, тако да сваки свој региони се трансформишу из одвојеног дела фотоћелије.
Данас на тржишту постоје три главна типа фотонапонских ћелија: монокристални силицијум, поликристални силицијум и танки филм.Танки филмови се сматрају најперспективнијим јер су осетљиви чак и на залуталу светлост, могу се поставити на закривљене површине, нису тако крхки као силицијум и ефикасни су чак и на високим радним температурама.
Такође видети: Ефикасност соларних ћелија и модула