Фізичний принцип роботи фотоелемента

Фотоелемент - електронний прилад, який перетворить енергію фотонів в електричну енергію. Перший фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, створив Олександр Столетов у кінці XIX століття.

Напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі енергії

Фотоелемент на основі полікристалічного кремнію

Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, пристроями для перетворення сонячної енергії на електричну являються напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі (ФЭП), оскільки це прямий, одноступінчатий перехід енергії. ККД вироблюваних в промислових масштабах фотоелементів в середньому складає 16%, у кращих зразків до 25%.0 У лабораторних умовах вже досягнуть ККД 40,7 %

Фізичний принцип роботи фотоелемента

Перетворення енергії у ФЭП засноване на фотоелектричному ефекті, який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного випромінювання.

неоднорідність структури ФЭП може бути отримана легуванням одного і того ж напівпровідника різними домішками (створення p - n переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони - енергії відриву електрона з атома (створення гетероперехідів), або ж за рахунок зміни хімічного складу напівпровідника, що призводить до появи градієнта ширини забороненої зони (створення варизонных структур). Можливі також різні комбінації перерахованих способів.

Ефективність перетворення залежить від електрофізичних характеристик неоднорідної напівпровідникової структури, а також оптичних властивостей ФЭП, серед яких найбільш важливу роль грає фотопровідність. Вона обумовлена явищами внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках приопроміненні їх сонячним світлом.

Основних безповоротних втрати енергії у ФЭП пов'язані з:

відображенням сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,

проходженням частини випромінювання через ФЭП без поглинання в нім,

розсіянням на теплових коливаннях грат надмірної енергії фотонів,

рекомбінацією фото-пар, що утворилися, на поверхнях і в об'ємі ФЭП,

внутрішнім опором перетворювача,

і деякими іншими фізичними процесами.

Для зменшення усіх видів втрат енергії у ФЭП розробляються і успішно застосовується різні заходи. До їх числа відносяться:

використання напівпровідників з оптимальною для сонячного випромінювання шириною забороненої зони;

спрямоване поліпшення властивостей напівпровідникової структури шляхом її оптимального легування і створення вбудованих електричних полів;

перехід від гомогенних до гетерогенних і варизонным напівпровідникових структур;

оптимізація конструктивних параметрів ФЭП (глибини залягання p - n переходу, товщини базового шару, частоти контактної сітки та ін.);

застосування багатофункціональних оптичних покриттів, що забезпечують просвітлення, терморегулювання і захист ФЭП від космічної радіації;

розробка ФЭП, прозорих в довгохвильовій області сонячного спектру за краєм основної смуги поглинання;

створення каскадних ФЭП із спеціально підібраних по ширині забороненої зони напівпровідників, що дозволяють перетворювати в кожному каскаді випромінювання, що пройшло через попередній каскад, і ін.;

Також істотного підвищення ККД ФЭП вдалося добитися за рахунок створення перетворювачів з двосторонньою чутливістю (до 80 % до вже наявного ККД однієї сторони), застосування структур, що люмінесцентно перевипромінюють, попереднього розкладання сонячного спектру на дві або більше спектральні області за допомогою багатошарових плівкових світлодільників (дихроїчних дзеркал) з подальшим перетворенням кожної ділянки спектру окремим ФЭП і т. д.

Фотоелементи промислового призначення

На сонячних електростанціях (СЭС) можна використати різні типи ФЭП, проте не усі вони задовольняють комплексу вимог до цих систем:

висока надійність при тривалому (25-30 років) ресурсі роботи;

висока доступність сировини і можливість організації масового виробництва;

прийнятні з точки зору термінів окупності витрат на створення системи перетворення;

мінімальні витрати енергії і маси, пов'язані з управлінням системою перетворення і передачі енергії (космос), включаючи орієнтацію і стабілізацію станції в цілому;

зручність техобслуговування.