Как слънчевите батерии могат да спасят нашата планета

Технологиите се развиват все по-бързо и нашият реален свят става все повече като света, който виждаме в научно-фантастичните филми. Толкова близо до извънземните... Днес обаче няма да говорим за тях. Нека да говорим за едно от най-добрите последните наистина чудесни изобретения на човечеството, който ще помогне да се запази... дори се спаси нашата планета Земя. Говорим за слънчевите батерии, чували ли сте нещо за тях? Слънчевите батерии имат много приложения. Те са подходящи за случаите, когато няма на разположение електрическа енергия от мрежата, напр. в отдалечени географски райони, спътници на орбита около земята, калкулатори, радиотелефони и др. Слънчеви батерии под формата на слънчеви панели, монтирани на покривите на сградите, могат да бъдат свързани към електрическата мрежа посредством инвертор.

Какво си представяте, когато чуете тази фраза? Вероятно сини карирани плочи, поглъщащи слънчевата енергия и произвеждащи електроенергия. Да, това е донякъде така, но учените вече са изработили и нещо съвсем ново. То пак се нарича слънчеви батерии и те пак се зареждат от Слънцето и произвеждат електроенергия... Но те вече не са онези огромни плочи, а са по-скоро батерийки – тънка и прозрачна лентичка, която много скоро всеки от нас ще може да залепи на прозореца си, а тя да генерира електричество по такъв невероятен начин.

Може да звучи много сложно, като управлението на космически кораб, но в действителност е много просто.  Електрическият ток, получен в полупроводника, се провежда през контактите в предната и задната част на батерията. В горната част, която трябва да пропуска светлината, са направени контакти от тънки метални ленти, разположени на сравнително голямо разстояние един от друг. Те захранват с ток по-голямата тоководеща шина. Батерията е покрита с тънък слой от диелектричен материал, който увеличава поглъщането на светлината от приемащата повърхност. Когато върху слънчевата батерия попадне светлина, енергията на фотоните генерира двойки електрически носители, електрон и дупка, от двете страни на P-N прехода. Електроните дифундират в посока на по-ниско енергийно ниво, а дупките — в обратна посока. Докато светлината облъчва батерията, продължават да се формират нови двойки електрон-дупка. Натрупващите се електрони образуват отрицателен заряд в емитера (N-слоя), а дупките образуват съответстващ положителен заряд в базата (P-слоя). Ако двете части на прехода се свържат с проводник, ще се образува затворена електрическа верига и ще протече ток. Токът продължава да тече, докато слънчевата батерия е осветена.

Фотоелектричният ефект е открит през 1839 г. от френския физик А. Е. Бекерел. Първата слънчева батерия обаче е създадена едва през 1883 г. от Чарлз Фритс, който покрива полупроводника селен с много тънък слой злато. Ефективността на устройството е било само 1%. Ръсел Оул патентова съвременната слънчева батерия през 1946 г.

Силициевите слънчеви батерии са полупроводникови устройства, поради което се използват същите производствени технологии и същите експлоатационни характеристики както при останалите полупроводникови устройства, напр. компютърните чипове. Разликата е, че строгите изисквания за чистота на полупроводника тук са леко занижени. Отлични високоефективни слънчеви батерии могат да се направят от монокристални силициеви подложки каквито се използват за направа на чипове, но те са твърде скъпи. Най-добър пазарен успех имат поликристалните силициеви батерии с печатни електрически контакти, които комбинират умерена ефективност с умерени цени.

Поликристалните подложки са изработват от силициев цилиндър, който се нарязва на тънки шайби с дебелина 0,25-0,30 mm. Обикновено подложките са леко обогатени като p-тип. На предната страна на подложката чрез дифузия се легира n-тип материал, създавайки p-n преход с дебелина няколко микрона. Отгоре се нанасят противоотражателни покрития, които намаляват отражението и увеличават количеството на погълната светлина. Използваният преди силициев нитрид постепенно се заменя с титанов диоксид поради отличната му пасивация на повърхността. Покритието от титанов диоксид предотвратява рекомбинацията на токоносители на повърхността на слънчевата батерия. Слоят се нанася чрез плазмено-химичен метод и има дебелина няколко десети от микрона. След това подложката се метализира. На задната стена се прави пълна метализация, а на предната се прави мрежа от тънки и дебели тоководещи шини. Използва се печатна технология със сребърна паста. Задният контакт е направен с отпечатване на метална паста, обикновено алуминий. След това металните електроди се подлагат на топлинна обработка (синтероване), за да се постигне добър електрически контакт със силиция. Накрая батериите се свързват последователно (и/или в паралел) чрез плоски проводници и се събират в модули, наречени слънчеви панели. Панелите имат защитен екран от закалено стъкло на предната страна и полимерна капсулация на гърба.