Paikeseelement ^[1] ehk fotogalvaaniline element (inglise keeles solar cell voi photovoltaic cell ) ^[2] on fotoelektriline seadis, mis valguskiirgust absorbeerides (neelates) muundab valgusenergia vahetult elektrienergiaks . ^[3] Muundamine toimub pooljuhtmaterjalis ? absorbermaterjalis ? moodustatud pn-siirdes .

Valgust neelava ja muundava kihi paksuse jargi jagunevad paikeseelemendid paksu- ja ohukesekihilisteks. Valdava turuosa maailmas hoivavad paksukihilised paikeseelemendid ja umbes 5% ohukesekihilised (2020). ^[4] Viimaseid tuntakse uldiselt ohukesekileliste paikeseelementidena ( inglise keeles thin-film solar cell ),

Paksukihilised elemendid valmistatakse kristallilisest ranist 150?200 mikromeetri paksuste plaatidena ( inglise keeles wafer ). Kristallilisest ranist elementides moodustab valgust neelav ja muundav kiht raniplaadi pealispinnas 10?100  μm (olenevalt rani kristallistruktuurist). Ohukesekilelistel elementidel voib kile olla sada korda ohem.

Uhe paikeseelemendi elektromotoorjoud ( avaahelapinge ) on 0,6?0,7 V ja toopinge keskmiselt 0,5 V. Elemendi arendatav voimsus soltub valgust absorbeeriva pinna suurusest ja on kristallilisest ranist elementide korral keskmiselt 160 W/m ² (standardtingimustel). Elemendi plaadi levinud kuljepikkus on 156 mm.

Noutava pinge ja voimsuse saamiseks uhendatakse vajalik arv elemente jarjestikku (jadauhendusse). Labipaistva pealispinnaga kaitsekesta paigaldatud elemendid moodustavad paikesemooduli. Harilikult uhendatakse jadamisi 60 elementi, nii et saadakse moodul toopingega 30 V. Suurema voimsuse saamiseks uhendatakse moodulid paikesepaneeliks.

Vahel nimetatakse paikeseelementideks ekslikult ka paikesekollektori elemente. ^[5] Need elemendid aga ei tooda elektrivoolu , vaid salvestavad energiat soojusena boileris .

Materjalid [ muuda | muuda lahteteksti ]

Paikeseelemente nimetatakse tavaliselt selle pooljuhtmaterjali jargi, millest nad on valmistatud. Kasutatava pooljuhtmaterjali alusel jaotatakse paikeseelemendid esimese, teise ja kolmanda generatsiooni ehk polvkonna elementideks.

Esimese polvkonna elemendid, mida kutsutakse ka traditsioonilisteks, valmistatakse kristallilisest mono- voi polukristallilisest ranist.

• Monokristallilised elemendid valmistatakse rani monokristallist (c-Si) saetud ohukestest plaatidest. Nende kasutegur (energia muundamise efektiivsus) voib olla ule 25%, kuid nende tootmine on kulukas.
• Polukristallilisest ranist (poly-Si voi mc-Si) elemendid on samuti ranikristallist, kuid kristallid pole uhtlaselt orienteeritud kristallistruktuuriga. Need elemendid on vaiksema kasuteguriga (18% ringis), kuid odavamad valmistada ja seetottu koige laiemalt kasutusel.

Teise polvkonna elementides on valguskiirgust absorbeerivaks materjaliks peamiselt mikrokristalliline rani (μc-Si) voi amorfne rani (a-Si:H), harvemini kaadmiumtelluriid (CaTe), vaskindiumgalliumseleniid (CIGS) vm. Sorbentmaterjal sadestatakse aurufaasist ohukese kilena alusmaterjalile. Niisugustel elementidel pohinevadid paikesepaneelid on naiteks kasutel paikeseeletrijaamades . Amorfset ja mikrokristallilist rani kasutatakse ka kombineeritult muude mineraalsete pooljuhtidega mitmekihiliste, nn tandempaikeseelementide tootmiseks.

Kolmanda polvkonna paikeseelemendid on enamasti uurimis- ja arendusjargus. Absorbermaterjalidena uuritakse mitmesuguseid anorgaanilisi ja metallorgaanilisi uhendeid, et luua efektiivseid stabiilsete omadustega paikeseelemente ja uhtlasi vahendada tootmiskulusid. Rakendatakse ohukese tahkiskile tehnoloogiaid : valgust neelav materjal kantakse uhe voi mitme vaga ohukese, nanomeetrites moodetava kihina alusmaterjalile, milleks voib olla klaas, plast voi metall.

Talitluspohimote [ muuda | muuda lahteteksti ]

Paikeseelement on toopohimottelt suurepinnaline fotodiood , mida kasutatakse fotogalvaanilises (vooluallika) re?iimis. Elemendi pn-siirdele langeva valguse footonite energia kandub ule raniaatomite valentsitsooni elektronidele, mis on tuumaga lodvalt seotud. Need elektronid tousevad juhtivustsooni , jattes valentsitsooni augud . Juhtivustsooni elektronid ja vastavad positiivse laenguga augud on vabalt liigutatavad. Need laengukandjad paneb liikuma pooljuhtmaterjalis loodud pn-siirde sisemine ruumlaengu elektrivali , vt fotogalvaaniline efekt . Vabad elektronid liiguvad sisemise elektrivalja mojul elemendi anoodile ja elektronidest jaanud augud katoodile . Tulemusena tekib paikeseelemendi klemmide vahel potentsiaalide vahe ? pinge . Kui kontaktide vahele uhendada elektritarviti , liiguvad elektronid elektrivooluna labi tarviti. Pinge paikeseelemendielemendi elektroodide vahel ja vool elemendiga uhendatud koormusel pusib, kuni valguskvandid genereerivad jarjest uusi vabu laengukandjaid.

Olenevalt paikeseelemendi ehitusest voib fotovoolu pohjustada kas ainult laengukandjate triiv (nende suunatud liikumine) voi siis lisaks ka laengukandjate difusioon , nagu paksukihilises paikeseelemendis.

Elektromotoorjou tekkimist pn-siirdes valguskvantide toimel nimetatakse fotogalvaaniliseks efektiks , ka ventiilfotoefektiks. ^{[6] [7]}

Tunnussuurused [ muuda | muuda lahteteksti ]

Paikeseelemendi tunnussuurused antakse standardtingimustel STC (Standard Test Conditions), mis on jargmised:

• kiiritustihedus (vt Radiatsioon ) mooduli tasapinnas 1000 W/m²;
• paikeseelemendi temperatuur pusivalt 25 °C;
• kiirgusspekter AM 1,5 global (sarnaneb 35. laiuskraadi suvise paikesevalguse spektriga temperatuuril 25 °C).

Tunnussuuruste indeksitena on kasutusel jargmised inglise keele sonade luhendid;

• SC Short Circuit ? luhisahel, luhis;
• OC Open Circuit ? avaahel, tuhijooks;
• MPP Maximum Power Point ? maksimaalsele voimsusele vastav toopunkt;
• PR Performance Ratio ? kvaliteeditegur, mis naitab tegelikult kasutada olevat osa elemendi voolust.

Paikeseelementi iseloomustatakse jargmiste parameetritega:

• avaahelapinge ${\displaystyle U_{\mathrm {OC} }}$ (ingliskeelses tekstis ${\displaystyle V_{\mathrm {OC} }}$);
• luhisvool ${\displaystyle I_{\mathrm {SC} }}$;
• optimaalsele toopunktile vastav pinge ${\displaystyle U_{\mathrm {MPP} }}$ ( ${\displaystyle V_{\mathrm {MPP} }}$);
• toopunktis saavutatavale suurimale voimsusele vastav vool ${\displaystyle I_{\mathrm {MPP} }}$
• suurim voimsus ${\displaystyle P_{\mathrm {MPP} }}$ (standardtingimustel), mootuhiku tahis kWp ( Kilowatt-peak ), ka Wp;
• taitetegur ${\displaystyle FF={\frac {P_{\mathrm {MPP} }}{U_{\mathrm {OC} }\cdot I_{\mathrm {SC} }}}}$;
• elemendi voimsuse temperatuuritegur ${\displaystyle TK\ P_{\mathrm {MPP} }}$, tuupiliselt vaheneb voimsus temperatuuril ule 25 °C keskmiselt 0,4% iga kraadi kohta;
• Elemendi kasutegur ${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\mathrm {MPP} }}{A\cdot E_{\mathrm {e} }}}}$, kus ${\displaystyle A}$ on kiiritatav pindala ja ${\displaystyle E_{\mathrm {e} }}$ kiiritustihedus.

Kasutegur [ muuda | muuda lahteteksti ]

Paikesaeelemendi kasutegurit ${\displaystyle \eta }$ iseloomustab genereeritava elektrilise voimsuse ${\displaystyle P_{\text{elektriline}}}$ ja elemendile langeva valguskiirguse voimsuse ${\displaystyle P_{\text{valgus}}}$ suhe:

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{elektriline}}}{P_{\text{valgus}}}}}$.

Seda suhet valjendatakse harilikult protsentides.

Valguskiirguse sagedusriba optimaalse arakasutamise korral voib kasuteguri piir olla 41%. Sellele piirile voib koige lahemale jouda tandemelement , Enamikus praktilistes rakendustes ei uleta kasutegur 25%. Kasutegurit saab oluliselt suurendada valguse optilise kontsentreerimisega elemendile.

Paikeseelemendi ajalugu [ muuda | muuda lahteteksti ]

Fotogalvaanilist efekti demonstreeris eksperimentaalselt prantsuse fuusik Alexandre-Edmond Becquerel 1839. aastal. 19-aastaselt ehitas Becquerel oma isa laboratooriumis esimese fotogalvaanilise elemendi. Alles 1883. aastal ehitas Charles Fritts esimese tahke fotogalvaanilise elemendi, siirete saavutamiseks kattis ta uliohukese kihi kullaga seleen pooljuhi . Seadme efektiivsus oli ainult 1%. 1888. aastal ehitas vene fuusik Aleksandr Stoletov esimese fotoelektrilise elemendi, mis pohines 1887. aastal Heinrich Hertzi avastatud fotoelektrilisel efektil ^[8] .

1905. aastal seletas saksa fuusik Albert Einstein fotoefekti olemust ? metalli pinnale langeva footoni energia kulub elektroni valjaloomise tooks ja sellele elektronile kineetilise energia andmiseks. Einstein sai selle eest 1921. aastal Nobeli fuusikaauhinna . 1940. aastal avastas USA uurimisinstituudi Bell Labs fuusik Russel Ohl rani pn-siirde ja sellel asetleidva fotoelektrilise efekti, kuid ka selle kasutegur oli alla 1% ^[9] . Parast Teist maailmasoda patenteeris Ohl 1946. aastal esimese moodsa paikeseelemendi ^[10] .

Esimese praktilise paikeseelemendi arendasid Daryl Chapin , Calvin Souther Fuller ja Gerald Pearson 1954. aastal uurimisinstituudis Bell Labs. Rani sihiparase doteerimise teel valmistati praktiliseks kasutamiseks sobiv paikeseelement kasuteguriga ligikaudu 6%. Vorreldes seleenil pohinevate elementidega, millel oli raskusi saavutamaks efektiivsust 0,5%, oli edusamm suur ^[11] . Esialgu kasutati neid paikeseelemente manguasjades ja teistes vahestes rakendustes, kuna elektritootlikkuse ja hinna suhe oli vaga madal. 1956. aastal maksid paikesepaneelid voimsusega 1 vatt ligikaudu 300 dollarit, samas elektrijaama tootmisvoimsuse vatt maksis 0,5 dollarit ^[12] .

Umbusuga suhtuti ettepanekusse paigaldada paikeseelemendid satelliidile Vanguard I , mis lennutati orbiidile 1958. aastal. Esialgu oli plaanis varustada satelliit patareitoitega, mille tuhjenemise tottu hinnati satelliidi eluiga luhikeseks. Lisades aga satelliidile paikeseelemendid, oli voimalik satelliidi missiooni aega oluliselt pikendada ilma suuremate pohimotteliste muudatusteta satelliidile. Esialgne skeptitsism asendus peagi suure eduga ning paikeseelemendid voeti kiiresti kasutusele paljudes satelliitides. Markimist vaarib, et 1962. aasta juulis varustati 3600-elemendilise paikesepatareiga Bell Labsi enda sidesatelliit Telstar 1 ^[9] .

Jargmisel kahel aastakumnel olid edusammud aeglased. Ainukesena levis paikeseelementide kasutuselevott kosmoseteaduses, kus tanu nende kaalu ja voimsuse vahekorrale edestasid nad konkureerivaid tehnoloogiaid. Kuid see edu tingis ka aeglase arenemise, nimelt oldi kosmoseteaduses valmis maksma koike parimate voimalike elementide eest. Seega polnud pohjust investeerida odavamatesse voimalustesse, kui see oleks vahendanud efektiivsust. Paikeseelementide hinna maaras suuresti pooljuhttoostus. Nende uleminek integraallulitustele 1960. aastatel tingis suuremate toorikkristallide saadavuse odavamate hindadega, mis viis ka lopuks paikeseelementide hinnalanguseni. Siiski oli eelnimetatud efekt piiratud ja 1971. aastal maksis 1 vatt paikeseelementidel saadud voimsust ligikaudu 100 dollarit ^[13] .

Parast Elliot Bermani paikeseelementide tootmiskulude langetamist ligi kumnele dollarile (jaemuugihind 20 dollarit), on edasised taiendused langetanud tootmiskulude hinda 1 dollarini vati ja jaemuugihinda 2 dollarini vati kohta. ^[12] Paikesepaneele toetavad komponendid ja susteemid maksavad rohkem kui paneelid ise ^[14] .

Nii nagu pooljuhttoostus on lainud uha suuremate toorikkristallide peale, on ka paikeseelemendid muutunud suuremaks. 1977. aastal paikesepaneelide ehitamisele spetsialiseerinud ARCO Solari paneelides kasutati elemente, mille diameeter oli vahemikus 51?100 mm. 1990. aastatel ja 2000. aastate alguses kasutati paneelides tavaliselt pooljuhtplaate diameetriga 125 mm ning alates 2008. aastast kasutatakse enamikus uutes paikesepaneelides elemente diameetriga 150 mm. LCD -, plasma- ja muude lameekraanide voidukaik 1990. aastate lopus ja 2000. aastate alguses viis suuremootmeliste korgekvaliteediliste klaaslehtede saadavuseni, mis voeti peatselt kasutusele ka paikesepaneelide katmisel.

1990. aastatel said paikeseelemendid uha populaarsemaks polukristallilisest ranist ( polysilicon ) . Need elemendid on vaiksema efektiivsusega kui monokristallilisest ranist paikeseelemendid, kuid polukristallilise rani kasvatamise tottu suurtes vaatides, on tootmiskulud oluliselt madalamad. 2000. aastate keskel domineerisid polukristallilisest ranist elemendid odavamate paneelide turul, kuid mitmete tegurite tottu on korgema efektiivsusega monokristallilisest ranist elemendid lainud uha laiemasse kasutusse ^[15] .

Vaata ka [ muuda | muuda lahteteksti ]

• Ohukesekileline paikeseelement
• Tandempaikeseelement
• Labipaistev elektrood

Viited [ muuda | muuda lahteteksti ]