В чем разница между солнечным элементом и фотоэлементом?

Солнечные элементы и фотоэлементы используют свет, но для разных целей. Солнечные элементы (или фотоэлектрические элементы) превращать солнечный свет непосредственно в электричество, питая им все: от домов до небольших гаджетов. ФотоэлементыС другой стороны, это датчики света; они распознают изменения освещенности и управляют такими устройствами, как автоматическое уличное освещение или настройки камер, но не вырабатывают значительной мощности.

Солнечные элементы являются генераторами энергии, а фотоэлементы — детекторами света. Оба используют свет, каждый по-своему, способствуя более эффективным и экологически сознательным решениям.

Ключевые выводы

• Функция:Солнечные элементы вырабатывают электричество; фотоэлементы обнаруживают свет.
• Выход:Солнечные элементы вырабатывают полезную электроэнергию; фотоэлементы сигнализируют об изменениях освещенности.
• Фокус применения:Солнечные элементы для энергоснабжения; фотоэлементы для измерения/переключения.
• Материалы:В солнечных элементах часто используется кремний; в фотоэлементах используются различные светочувствительные материалы.
• Производительность:Эффективность солнечного элемента — это преобразование энергии; производительность фотоэлемента — это чувствительность/реакция.
• Спектр:Солнечные элементы используют широкий спектр света; фотоэлементы могут работать с определенными длинами волн.
• Эволюция:Обе технологии развиваются в сторону повышения эффективности, стоимости и расширения сфер применения.

Введение в солнечные элементы и фотоэлектрические элементы

Солнечные элементы и фотоэлектрические элементы являются ключевыми технологиями в области возобновляемой энергии и обнаружения света, преобразуя солнечный свет в электричество или электрические сигналы.

Определение солнечных элементов

А солнечная батарея в широком смысле относится к электрическому устройству, преобразующему энергию света непосредственно в электричество. Эти полупроводниковые устройства, обычно слои кремния с различными электрическими свойствами, создают внутреннее электрическое поле. Когда солнечный свет (фотоны) попадает на клетку, энергия фотонов освобождает электроны, а внутреннее поле приводит эти электроны в движение, создавая ток.

Формы включают в себя:

• Монокристаллические кремниевые элементы: Монокристалл кремния, высочайшая эффективность (коммерческий 15-22%), однородный внешний вид.
• Поликристаллические кремниевые ячейки: Несколько кремниевых фрагментов, немного более низкая эффективность (13-16%), более низкая стоимость.
• Тонкопленочные солнечные элементы: Тонкие слои материалов, таких как аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) или селенид меди, индия и галлия (CIGS); гибкие, менее материалоемкие, часто с более низкой эффективностью.

Определение фотоэлектрических элементов

Термин фотоэлектрическая (PV) ячейка по сути является синонимом «солнечного элемента» для выработки энергии. «Фотоэлектрический» (от греческого «phos» — свет и «voltaic» — электричество) описывает процесс прямого преобразования света в электричество.

Фотоэлектрические элементы работают на основе фотоэлектрического эффекта, обнаруженного Эдмоном Беккерелем в 1839 году. Типичный элемент имеет слои полупроводников p-типа (положительные носители заряда) и n-типа (отрицательные носители заряда), образующие p-n-переход, который создает электрическое поле. Солнечный свет возбуждает электроны, создавая пары электрон-дырка. Поле разделяет эти пары, заставляя электроны создавать ток во внешней цепи. Современные фотоэлектрические элементы используют многопереходные конструкции и текстурирование поверхности для повышения эффективности.

Историческое развитие солнечных и фотоэлектрических технологий

Эдмон Беккерель первым задокументировал фотогальванический эффект в 1839 году. В 1883 году Чарльз Фриттс построил первый твердотельный солнечный элемент с использованием селена, достигнув эффективности <1%.

Решающий прорыв произошел в 1954 год в Bell Laboratories, где Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон разработали первый практический кремниевый солнечный элемент (эффективность около 6%). Это вызвало интерес, особенно для питания спутников.

В 1970–1990-х годах исследования были сосредоточены на повышении эффективности и снижении затрат:

• 1980-е: Введение многопереходные ячейки.
• 1990-е: Достижения в тонкопленочные технологиии рано фотоэлектрические системы, интегрированные в здание (BIPV).

К началу 2000-х годов эффективность коммерческих панелей достигла 15-20%. Недавняя эффективность лабораторий для специализированных ячеек превышает 40%. Текущие инновации включают перовскитные солнечные элементы, обещающие высокую эффективность и снижение производственных затрат.

Дизайн и композиция

Фотоэлектрические элементы (для питания) и фотоэлементы (для обнаружения) имеют различные конструкции и составы материалов, отражающие их функции. Фотоэлектрические элементы оптимизированы для генерации энергии; фотоэлементы для чувствительного обнаружения света.

Состав материала фотоэлектрических ячеек

Фотоэлектрические элементы в основном используют полупроводники, с кремний (Si) является наиболее распространенным.

• Монокристаллический кремний: Более высокая эффективность, более высокая стоимость.
• Поликристаллический кремний: Менее дорогой, немного более низкая эффективность.
• Тонкопленочные элементы: Материалы, такие как CdTe, CIGS, или а-Си; менее материалоемкий, гибкий.

Эти материалы выбраны для оптимального фотоэлектрические свойства, поглощая широкий солнечный спектр и эффективно генерируя носители заряда. Расширенный многопереходные (тандемные) ячейки складывать различные полупроводники для захвата различных длин волн, повышая эффективность. Перовскиты являются перспективным направлением исследований.

Структурные различия и сходства

Фотоэлементы, как правило, имеют более простую конструкцию, чем солнечные элементы, вырабатывающие электроэнергию.

• Типичный фотоэлемент (например, фоторезистор)имеет светочувствительный материал (селен, CdS, PbS) на изолирующей подложке с проводящими контактами, оптимизированными для изменения сопротивления или генерации слабого сигнала.

Солнечные элементы для получения энергии требуют сложной слоистой структуры:

1. Защитная инкапсуляция(например, стеклянная передняя панель, прочный задний слой).
2. Антибликовое покрытиедля максимального поглощения света.
3. Металлические контакты(передняя сетка, задний слой) для сбора тока.
4. P-N-переход(основные слои p-типа и n-типа), где происходит фотогальванический эффект.

Хотя в обоих типах используются полупроводники, в солнечных элементах приоритет отдается максимальному увеличению активной площади эффективность преобразования энергии. Фотоэлементы приоритетны чувствительность обнаружения, время отклика, и часто спектральная селективность.

Принципы работы

Солнечные элементы и фотоэлементы взаимодействуют со светом, но работают по разным принципам, что определяет их методы преобразования света и выходные данные.

Как фотоэлектрические элементы преобразуют свет в электричество

Фотоэлектрические элементы функционируют через фотогальванический эффект. Изготовленный из полупроводников (обычно кремния), образующих pn-переход с внутренним электрическим полем, процесс выглядит следующим образом:

1. Поглощение света: Фотоны с достаточной энергией поглощаются.
2. Генерация электронно-дырочной пары: Поглощенная энергия создает пары электрон-дырка.
3. Разделение зарядов: Электрическое поле p-n перехода разделяет эти пары.
4. Текущее поколение: Электроны протекают через внешнюю цепь, создавая постоянный ток.

Основные компоненты: поглощающие свет полупроводниковые слои, антибликовое покрытие, металлические контакты, подложка и инкапсуляция.

Сравнительный анализ рабочих механизмов

Фотоэлементы (фотоприемники, ЛДР) работают на фотоэлектрический эффект или фотопроводящий эффект, обнаруживая свет и реагируя изменением сопротивления или вырабатывая небольшой электрический сигнал, не обладающий значительной мощностью.

Типы фотоэлементных механизмов:

• Фоторезисторы (LDR): Сопротивление уменьшаетсяс увеличивается интенсивность света.
• Фотодиоды: Полупроводниковые pn-переходы; могут генерировать небольшое напряжение (фотогальванический режим) или, что более распространено для зондирования (фотопроводящий режим), их обратный ток увеличивается с интенсивностью света. Быстрый отклик.
• Фототранзисторы: Управляемые светом транзисторы; фотоны генерируют базовый ток, усиливая коллекторный ток. Более высокая чувствительность, чем у фотодиодов, как правило, медленнее.

Различие:

• Солнечные элементы (фотоэлектрические элементы): Активно вырабатывает полезную электроэнергию, эффективность измеряется коэффициентом преобразования энергии (например, 15-22% коммерческий).
• Фотоэлементы: В первую очередь датчики/переключатели. Выход — изменение сопротивления или слабый сигнал. Производительность оценивается по чувствительности, динамическому диапазону и времени отклика.

Приложения

Различные функции солнечных элементов и фотоэлементов обусловливают их различное применение в различных отраслях промышленности.

Применение в промышленных и коммунальных масштабах

Солнечные элементы (фотоэлектрические панели):

• Солнечные электростанции промышленного масштаба: Генерация электроэнергии в масштабах сети.
• Коммерческие и промышленные крыши: Сокращение расходов на электроэнергию и достижение целей устойчивого развития.
• Удалённые промышленные операции: Обеспечение автономного электроснабжения для горнодобывающей промышленности, телекоммуникаций и т. д.

Фотоэлементы:

• Автоматизированные системы управления: Датчик света для контроля процесса, защитные шторы.
• Контроль качества и сортировка: Обнаружение продуктов, проверка выравнивания, подсчет единиц товара.
• Системы безопасности и наблюдения: Используется в датчиках движения, периметральных сигнализациях.
• Управление уличным и зональным освещением: Автоматизация освещения на основе окружающего освещения.

Новые и нишевые приложения

Солнечные элементы:

• Носимые технологии и устройства Интернета вещей: Питание или продление срока службы батареи.
• Интегрированные в здание фотоэлектрические системы (BIPV): Солнечные элементы как строительные материалы (окна, фасады).
• Транспорт: Вспомогательная энергия для электромобилей, лодок; основная для автомобилей на солнечных батареях/беспилотников.
• Сельское хозяйство (Агровольтаика): Совместное размещение с сельскохозяйственными культурами; электроэнергия для удаленного орошения.
• Исследование космоса: Энергия для марсоходов и миссий.

Фотоэлементы:

• Научные и аналитические приборы: Точное измерение света в спектрофотометрах и т. д.
• Усовершенствованные системы камер: Автофокус, баланс белого, стабилизация изображения.
• Медицинские приборы: Пульсоксиметры, глюкометры, контроль светотерапии.
• Сохранение произведений искусства: Следите за уровнем освещенности в музеях.
• Оптическая связь: Включаем оптоволоконные приемники.

Заключение

Солнечные элементы и фотоэлементы, хотя и те, и другие взаимодействуют со светом, служат разным технологическим целям. Солнечные элементы в первую очередь вырабатывать электроэнергию из солнечного света посредством фотоэлектрического эффекта, имеющего решающее значение для возобновляемой энергетики.

Фотоэлементы, наоборот, действовать как датчики света, изменяя электрические свойства в ответ на свет. Это подходит для приложений обнаружения, измерения и управления, таких как системы автоматического освещения и камеры.

Материал Выбор отражает эти функции: кремний для солнечных элементов (преобразование энергии); материалы, такие как CdS или специализированный кремний для фотоэлементов (чувствительность/реакция).

Соображения эффективности отличаются: процентом преобразования мощности для солнечных элементов; чувствительностью и временем отклика для фотоэлементов.

Обе области динамичны, с постоянными НИОКР, повышающими эффективность, стоимость и универсальность. Понимание их фундаментальных различий является ключом к выбору правильной технологии для использования солнечной энергии или внедрения светочувствительных систем.

Для максимизации преимуществ солнечной энергии ключевое значение имеет эффективное хранение. Deye ESS предлагает отличные решения: Серия солнечных батарей низкого напряжения (LV) обеспечивает масштабируемое хранение аккумуляторных батарей LFP для домов и малого бизнеса, в то время как Серия высокого напряжения (HV) удовлетворяет более крупные коммерческие и коммунальные потребности. Изучите наши предложения по продукции и связаться с нами для получения дополнительной информации!