Какие материалы для создания фотоэлектрического преобразователя. Фотоэлектрические преобразователи (солнечные элементы)

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую (т.к. это прямой, одноступенчатый переход энергии) являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350 Кельвинов и Т солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 % . Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленной на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально удастся поднять практический КПД до 50% и более (в лабораториях уже достигнут КПД 40%).

Теоретические исследования и практические разработки, в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации столь высоких значений КПД с ФЭП и определили основные пути достижения этой цели.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p - n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n- переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е.электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными. Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• Ш отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• Ш прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• Ш рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• Ш рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП,
• Ш внутренним сопротивлением преобразователя,
• Ш и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

ь использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

ь направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

ь переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

ь оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

ь применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;

ь разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

ь создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.д.5

В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• · высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
• · доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства;
• · приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на создание системы преобразования;
• · минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос),включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• · удобство техобслуживания.

Так, например, некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплутационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.д. Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, т.е. фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза.В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.

Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50-100мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs ,а другой материал, например синтетический сапфир (Al 2 O 3).

ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70 °С является почти критическим - КПД падает вдвое.

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений - может быть даже выше 50-60 %.

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки (отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150 °С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (особенно это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.

Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100 долл/ватт в семидесятых годах вплоть до 3,5 долл/ватт в 2000 г. и продолжают снижаться далее. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент перехода цены 3-долларового рубежа. По некоторым расчётам, это может произойти уже в 2002 г., а для России с нынешними энерготарифами этот момент наступит при цене 1 ватта СБ 0,3-0,5 доллара, то есть, при на порядок более низкой цене. Тут играют роль вместе взятые: тарифы, климат, географические широты, способности государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния - до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения.

Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого {на подложке}), не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния.

В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солн. батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно, снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al 2 O 3).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, в настоящее время трудно до конца отдать явное предпочтение одному из двух рассмотренных полупроводниковых материалов- кремнию или арсениду галлия, и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рационален для наземной и космической солнечных энергетик. Постольку-поскольку СБ выдают постоянный ток, то встаёт задача трансформации его в промышленный переменный 50 Гц,220 В. С этой задачей отлично справляется специальный класс приборов- инверторы.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии в электрическую основан на явлении фотоэлектрического эффекта – освобождения электронов проводимости в приемнике излучения под действием квантов солнечного излучения.

Этот эффект используется в полупроводниковых материалах, в которых энергия квантов излучения h  создает, например, на p –n -переходе фототок

I ф =eN e ,

где N e – число электронов, создающих на переходе разность потенциалов, вследствие чего на переходе в обратном направлении потечет ток утечки I , равный фототоку, который является постоянным.

Потери энергии при фотоэлектрическом преобразовании обусловлены неполным использованием фотонов, а также рассеянием, сопротивлением и рекомбинацией уже возникших электронов проводимости .

Наиболее распространенным из выпускаемых промышленностью солнечных элементов (фотоэлементов) является пластинчатые кремниевые элементы. Существуют также и другие типы и конструкции, которые разрабатываются для повышения эффективности и снижения стоимости солнечных элементов.

Толщина солнечного элемента зависит от его способности поглощать солнечное излучение. Такие полупроводниковые материалы, как кремний, арсенид галлия и др. используются потому, что они начинают поглощать солнечное излучение с достаточно большой длиной волны, и могут преобразовывать в электричество его значительную долю. Поглощение солнечного излучения различными полупроводниковыми материалами достигает наибольшей величины при толщине пластин от 100 до 1 мкм и менее.

Уменьшение толщины солнечных элемента позволяет значительно снизить расход материалов и стоимость их изготовления.

Различия в поглощательный способности полупроводниковых материалов объясняется различиями в их атомном строении.

Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую не высока. Для кремневых элементов не более 12…14 %.

Чтобы повысить КПД солнечных элементов применяются просветляющие покрытия лицевой стороны солнечного элемента. В результате увеличивается доля проходящего солнечного излучения. У элементов без покрытия потери на отражение достигают 30 %.

В последнее время для изготовления солнечных элементов стали использовать ряд новых материалов. Одним из них является аморфный кремний, который в отличии от кристаллического не имеет регулярной структуры. Для аморфной структуры вероятность поглощения фотона и перехода в зону проводимости больше. Следовательно, он имеет большую поглощательную способность. Также находит применение арсенид галлия (GaAs). Теоретическая эффективность элементов на основе GaAs может достигнуть 25 %, реальные элементы имеют КПД около16 %.

Развивается технология тонкопленочных солнечных элементов. Несмотря на то, что КПД этих элементов в лабораторных условиях не превышает 16 %, они имеют более низкую стоимость. Это особенно ценно для снижения себестоимости и расхода материала в массовом производстве. В США и Японии изготавливают тонкопленочные элементы на аморфном кремнии площадью 0,1 …0,4 м 2 с КПД 8…9 %. Наиболее распространенным тонкопленочным фотоэлементом является элементы на основе сульфида кадмия (CdS) с КПД 10 %.

Другим достижением в технологии тонкопленочных солнечных элементов стало получение многослойных элементов. Они позволяют охватить большую часть спектра солнечного излучения.

Активный материал солнечного элемента стоит довольно дорого. Для более эффективного использования солнечное излучение собирают на поверхности солнечного элемента с помощью концентрирующих систем (рис. 2.7).

При увеличении радиационного потока характеристики элемента не ухудшаются, если его температура поддерживается на уровне температуры окружающего воздуха с помощью активного или пассивного охлаждения.

Существует большое количество концентрирующих систем, основанных на линзах (обычно плоских линзах Френеля), зеркалах, призмах полного внутреннего отражения и т.д. Если происходит сильно неравномерная облученность фотоэлементов или модулей, это может привести к разрушению солнечного элемента.

Использование концентрирующих систем позволяет снизить стоимость солнечных электростанций, так как концентрирующие элементы дешевле солнечных элементов .

По мере снижения цены на солнечные элементы, появилась возможность сооружения крупных фотоэлектрических установок. К 1984 г. было построено 14 относительно крупных солнечных электростанций мощностью от 200 кВт до 7 МВт в США, Италии, Японии, Саудовской Аравии и Германии.

Солнечная фотоэлектрическая установка имеет ряд достоинств. Она использует чистый и неиссякаемый источник энергии, не имеет движущихся частей и поэтому не требует постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала. Солнечные элементы можно производить массовыми сериями, что приведет к снижению их стоимости.

Солнечные батареи собираются из солнечных модулей. При этом существует большой выбор типов и размеров этих устройств с одинаковой эффективностью преобразования энергии и одинаковой технологией производства.

Так как поступление солнечной энергии периодично, фотоэлектрические системы наиболее рационально включать в гибридные электростанции, использующие и солнечную энергию, и природный газ. На этих станциях может найти применение новое поколение газовых турбин. Гибридные маломощные электростанции, состоящие из фотоэлектрических панелей и дизельных генераторов, уже является надежными поставщиками энергии.

Рис.9. Солнечный элемент как пример фотоэлектрического преобразования

Фотопроводящие преобразователи

Эти преобразователи превращают изменение измеряемой величины в изменение сопротивления используемого материала (рис.8). Несмотря на то что используемые материалы являются полупроводниковыми, фотопроводящие преобразователи не всегда являются полупроводниковыми приборами, поскольку они не имеют переходов между различными типами полупроводников. Такие преобразователи называются пассивными, т.е. нуждаются во внешнем питании. Зачастую их название характеризует тип используемого преобразования, например светочувствительные резисторы.

Сопротивление материала является функцией плотности основных носителей заряда, и так как плотность увеличивается с возрастанием интенсивности излучения, то проводимость возрастает. Поскольку проводимость обратно пропорциональна сопротивлению, можно заключить, что сопротивление является обратной функцией интенсивности облучения. Значение сопротивления при полном облучении составляет в общем случае 100- 200 Ом, а в полной темноте это сопротивление равняется мегаомам. В конструкции зависящих от света резисторов чаще всего используются такие материалы, как сульфид кадмия или селенид кадмия.

Солнечные элементы

Солнечные элементы представляют собой фотоэлектрические преобразователи, которые превращают излучаемую электромагнитную энергию в электрическую, т.е. изменение измеряемого значения излучения преобразуется в изменение выходного напряжения (рис.9).

Конструкция преобразователя включает в себя слой фоточувcтвительного высокоомного материала, размещенного между двумя проводящими электродами. Один из электродов выполнен из прозрачного материала, через который проходит излучение и попадает на фоточувствительный материал. При полном освещении один элемент вырабатывает выходное напряжение между электродами около 0,5 В.

В качестве фотоэлектрического слоя (Рис.9) как правило, используют полупроводниковые вентильные фотоэлементы (фотоэлементы с запирающим слоем). Смотри: Конструкции вентильных фотоэлементов

Одним из самых важных параметров фотоэлемента, который используется в качестве источника электрической энергии, является коэффициент полезного действия (КПД). КПД солнечного элемента это отношение максимальной мощности электрического тока, который можно получить от фотоэлемента, к мощности светового излучения, падающего на фотоэлемент. КПД будет тем больше, чем большая часть спектра светового излучения участвует в генерации носителей тока. Одним из путей повышения КПД солнечных батарей есть создание фотоэлементов с максимально широкой спектральной характеристикой. Изготавливаемые из кремния фотоэлементы имеют КПД до 12%. Фотоэлементы на основе соединений арсенида галлия имеют КПД до 20%.

Многие из нас так или иначе сталкивались с солнечными элементами. Кто-то пользовался или пользуется солнечными батареями для получения электричества в бытовых целях, кто-то использует небольшую солнечную панель для зарядки любимого гаджета в полевых условиях, а кто-то уж точно видел маленький солнечный элемент на микрокалькуляторе. Некоторым даже посчастливилось побывать на .

Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как происходит процесс преобразования солнечной энергии в энергию электрическую? Какое физическое явление лежит в основе работы всех этих солнечных элементов? Давайте обратимся к физике и разберемся в процессе генерации детально.

С самого начала очевидно, что источником энергии здесь является солнечный свет, или, выражаясь научным языком, получается благодаря фотонам солнечного излучения. Эти фотоны можно представить себе как непрерывно движущийся от Солнца поток элементарных частиц, каждая из которых обладает энергией, и следовательно весь световой поток несет в себе какую-то энергию.

С каждого квадратного метра поверхности Солнца непрерывно излучается по 63 МВт энергии в форме излучения! Максимальная интенсивность этого излучения приходится на диапазон видимого спектра - .

Так вот, ученые определили, что плотность энергии потока солнечного света на расстоянии от Солнца до Земли в 149600000 километров, после его прохождения через атмосферу, и по достижении поверхности нашей планеты, составляет в среднем приблизительно 900 Вт на квадратный метр.

Здесь эту энергию можно принять и попытаться получить из нее электричество, то есть преобразовать энергию светового потока Солнца - в энергию движущихся заряженных частиц, проще говоря - в .

Для преобразования света в электричество нам потребуется фотоэлектрический преобразователь . Такие преобразователи очень распространены, они встречаются в свободной продаже, это так называемые солнечные ячейки - фотоэлектрические преобразователи в виде вырезанных из кремния пластин.

Лучшие - монокристаллические, они обладают КПД порядка 18%, то есть если поток фотонов от солнца обладает плотностью энергии в 900 Вт/кв.м, то можно рассчитывать на получение 160 Вт электричества с квадратного метра батареи, собранной из таких ячеек.

Работает здесь явление, называемое «фотоэффектом». Фотоэффект или фотоэлектрический эффект - это явление испускания электронов веществом (явление вырывания электронов из атомов вещества) под действием света или любого другого электромагнитного излучения.

Еще в 1900 году Макс Планк, отец квантовой физики, выдвинул предположение, что свет излучается и поглощается отдельными порциями или квантами, которые позже, а именно в 1926 году, химик Гилберт Льюис назовет «фотонами».

Каждый фотон обладает энергией, которая может быть определена по формуле Е = hv - постоянная Планка умножить на частоту излучения.

В соответствии с идеей Макса Планка стало объяснимым явление, открытое в 1887 году Герцем, и исследованное затем досконально с 1888 по 1890 год Столетовым. Александр Столетов экспериментально изучил фотоэффект и установил три закона фотоэффекта (законы Столетова):

При неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения).

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Позже, в 1905 году, теорию фотоэффекта прояснит Эйнштейн. Он покажет, как квантовая теория света и закон сохранения и превращения энергии превосходно объясняют происходящее и наблюдаемое. Эйнштейн запишет уравнение фотоэффекта, за которое в 1921 году получит Нобелевскую премию:

Работы выхода А здесь - это минимальная работа, которую необходимо совершить электрону чтобы покинуть атом вещества. Второе слагаемое - кинетическая энергия электрона после выхода.

То есть фотон поглощается электроном атома, благодаря чему кинетическая энергия электрона в атоме возрастает на величину энергии поглощенного фотона.

Часть этой энергии расходуется на выход электрона из атома, электрон выходит из атома и получает возможность свободно двигаться. А направленно движущиеся электроны - это ничто иное, как электрический ток или фототок. В итоге можно говорить о возникновении ЭДС в веществе в результате фотоэффекта.

Стало быть, солнечная батарея работает благодаря действующему в ней фотоэффекту. Но куда движутся «выбитые» электроны в фотоэлектрическом преобразователе? Фотоэлектрический преобразователь или солнечная ячейка или фотоэлемент - это , следовательно фотоэффект в нем происходит необычно, это внутренний фотоэффект, и он имеет даже специальное название «вентильный фотоэффект».

Под действием солнечного света в p-n переходе полупроводника возникает фотоэффект и появляется ЭДС, но электроны не покидают фотоэлемент, все происходит в запирающем слое, когда электроны покидают одну часть тела, переходя в другую его часть.

Кремния в земной коре 30% от ее массы, поэтому его всюду и используют. Особенность полупроводников вообще заключается в том, что они и не проводники и не диэлектрики, их проводимость зависит от концентрации примесей, от температуры и от воздействия излучений.

Ширина запрещенной зоны в полупроводнике составляет несколько электрон-вольт, и это как раз разность энергий между верхним уровнем валентной зоны атомов, откуда вырываются электроны, и нижним уровнем зоны проводимости. У кремния запрещенная зона имеет ширину 1,12 эВ - как раз то что нужно для поглощения солнечного излучения.

Итак, p-n переход. Легированные слои кремния в фотоэлементе образуют p-n переход. Здесь получается энергетический барьер для электронов, они покидают валентную зону и движутся только в одном направлении, в противоположном направлении движутся дырки. Так и получается ток в солнечном элементе, то есть имеет место генерация электроэнергии из солнечного света.

P-n переход, подвергаемый действию фотонов, не позволяет носителям заряда - электронам и дыркам - двигаться иначе, чем только в одном направлении, они разделяются и оказываются по разные стороны от барьера. И будучи присоединен к цепи нагрузки посредством верхнего и нижнего электродов, фотоэлектрический преобразователь, подвергаемый действию солнечного света, создаст во внешней цепи .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1.Введение

3.Физический эффект работы

6.Перспективы развития

7. Список источников

1.Введение

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов.

Фотоэлектрический (или фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один из основателей советской физической школы академик А. Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%.

Современные тенденции в мировой энергетике стимулируют существенный рост интереса к альтернативным источникам энергии. ФЭП или солнечные элементы являются наиболее перспективными, экологически чистыми кандидатами на уменьшение нефтяной зависимости мира и, в отличие от органических и неорганических источников энергии, преобразуют солнечное излучение непосредственно в электроэнергию.

Солнце - самый мощный источник энергии по сравнению со всеми другими, доступными человеку. Полная мощность солнечного излучения выражается огромной цифрой: 4x1026 Вт, или 4x1014 млрд. кВт. Эта цифра настолько велика, что трудно выбрать для сопоставления с ней какую-либо подходящую величину, привычную для нас в наших земных масштабах. Даже вблизи Земли, на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, на каждый квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт лучистой энергии.

Средний радиус Земли равен 6370 км, а поперечное сечение Земли составляет 127,6x106 км2. Легко подсчитать, что полная мощность солнечной радиации, поступающей на Землю, равна 178,6x1012 кВт. Из этого следует, что в течение года на Землю в виде лучистой энергии передается 1,56x1018 кВтxч.

Как уже сказано, на 1 м2 поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт солнечной радиации, а на 1 м2 поверхности Земли (сферы Земли) приходится в среднем 0,35 кВт.

Следует, однако, иметь в виду, что больше половины энергии солнечной радиации не доходит непосредственно до поверхности Земли (суши и океана), а отражается атмосферой. Считается, что на 1 м2 суши и океана земли приходится в среднем около 0,16 кВт солнечной радиации. Следовательно, для всей поверхности Земли солнечная радиация составляет величину, близкую к 1014 кВт, или 105 млрд. кВт. Эта цифра, вероятно, во многие тысячи раз превышает не только сегодняшнюю, но и перспективную потребность человечества в энергии.

ФЭП широко используются для питания магистральных систем электроснабжения и различного оборудования на КЛА; они предназначены также для подзарядки бортовых химических аккумуляторных батарей. Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США), совершившего перелет через пролив Ла-Манш.

В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП - искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и другие КЛА.

Достоинства ФЭП:

Большой срок службы;

Достаточная аппаратурная надежность;

Отсутствие расхода активного вещества или топлива.

Недостатки ФЭП:

Необходимость устройств для ориентации на Солнце;

Сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА на орбиту;

Неработоспособность в отсутствие освещения;

Относительно большие площади облучаемых поверхностей.

2.Устройство и принцип действия

Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из стеклянной колбы, из которой откачан воздух (так называемые вакуумные фотоэлементы).

Внутренняя поверхность покрыта слоем светочувствительного материала и является источником электронов - фотокатодом (ФК.). В передней стенке колбы часть ее поверхности, не покрытая фоточувствительным слоем, служит окошком, сквозь которое свободно проходят лучи света внутрь фотоэлемента. В центре колбы на ножке укреплено металлическое кольцо- анод, к которому подводится положительное напряжение.

Электроны, вылетевшие из поверхности фотокатода под действием упавшего на него света, притягиваются электрическим полем анода и создают фототок внутри фотоэлемента и электрический ток в цепи, в которую включен фотоэлемент.

3.Физический эффект работы

Работа ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. При любом способе производства электричества необходимо иметь электрические заряды и обеспечить механизм их разделения. В индукционном методе для получения электричества используют свободные заряды металлических проводников, а их разделение осуществляется в результате перемещения проводников в магнитном поле.

В фотовольтаическом методе получения электричества нет механических перемещений деталей конструкции. Он основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом. В фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника со светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента. Таким образом, поглощение света в идеальном полупроводнике приводит к появлению электрон-дырочной пары, которая существует в полупроводнике некоторое время, определяемое временем жизни, которое в свою очередь зависит от структурного совершенства полупроводникого материала. Процесс аннигиляции электро-дырочных пар называется рекомбинацией.

Не всякое излучение из светового диапазона вызывает генерацию электрон-дырочной пары, а только то, чья энергия достаточна чтобы разрушить связь электрона с ядром атома. Поэтому не все полупроводники являются чувствительными к солнечному излучению в наземных условиях.

Как и в любом источнике электропитания на его выходе поддерживается постоянная разность потенциалов, которая при подключении его к внешней нагрузке вызывает протекание тока в цепи.

Таким образом, генерированные электрон-дырочные пары необходимо разделить. Разделение положительных и отрицательных зарядов происходит в результате фотоэлектрического эффекта. Фотоэлектрический эффект возникает в полупроводниковых диодных структурах при наличии в них энергетического барьера который осуществляет разделение отрицательных и положительных носителей заряда. Энергетический барьер большинства ФЭП представляет собой встроенное электрическое поле, возникающее на границе двух полупроводниковых материалов, отличающихся типом электропроводности (электронной - n-тип и дырочной - р-тип). При поглощении фотонов происходит генерация неравновесных электрон-дырочных пар, разделение которых встроенным электрическим полем приводит к формированию фото-э.д.с, которое существует до тех пор пока полупроводниковая структура освещается светом.

Внешние радиационные (световые, тепловые) воздействия обуславливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных носителей р- и п-областях. Под влиянием электростатического притяжения разноименные свободные основные носители диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее р-п гетеропереход.

Гетеропереход -- контакт двух различных полупроводников. Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в многослойных полупроводниковых структурах.

Как говорилось выше, свободные основные носители через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее р-п гетеропереход с напряженностью электрического поля ЕК, контактной разностью потенциалов:

и потенциальным энергетическим барьером:

солнечный электрический фотоэлемент преобразователь

для основных носителей, имеющих заряд е.

Напряженность поля EK препятствует их диффузии за пределы пограничного слоя шириной S . Напряжение Uk равное:

зависит от температуры Т, концентраций дырок или электронов в p- и n-областях заряда электрона е и постоянной Больцмана k. для неосновных носителей EK - движущее поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из области р в область п, а дырок - из области п в область р. Область п приобретает отрицательный заряд, а область р- положительный, что эквивалентно приложению к р-п переходу внешнего электрического поля с напряженностью EВШ, встречного с EK. Поле с напряженностью EВШ - запирающее для неосновных и движущее для основных носителей. Динамическое равновесие потока носителей через р-п переход переводит к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 - ЭДС холостого хода ФЭ. Эти явления могут происходить даже при отсутствии освещения р-п перехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов), которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла с энергетическими уровнями W.

Если энергия фотона:

где v -частота волны света, h - постоянная Планка больше W, электрон покидает уровень и порождает здесь дырку; р-п переход разделяет пары электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается. Если подключить сопротивление нагрузки RН, по цепи пойдет ток I, направление которого встречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами полупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потока Ф, но не превосходит предельного тока In ФЭ, который получается при переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший рост числа неосновных носителей невозможен. В режиме К3 (RН=0, UН=IRН=0) напряженность поля Евш =0, р-п переход (напряженность поля ЕК) наиболее интенсивно разделяет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента IФ для заданного Ф. Но в режиме К3, как и при холостом ходе (I=0), полезная мощность P=UНI=0, а для 00.

4.Рабочие характеристики и праметры

Реальные условия работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) связаны с периодическим воздействием на приборные структуры различных внешних неблагоприятных факторов, приводящих к деградации эксплуатационных характеристик ФЭП. На стадии проектирования и разработки новых конструкций ФЭП важно максимально полно уменьшить негативное влияние внешних факторов и, учитывая это, оптимизировать конструкцию фотопреобразователя. Определение величины этих потерь, с одной стороны, позволяет установить причину снижения коэффициента полезного действия (к.п.д), с другой - совершенствовать технологию изготовления ФЭП.

Баланс подводимой к p-n- переходу ФЭП и отводимой от него энергии может быть представлен в виде:

где Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника, Nc и Nv - эффективные плотности состояний у краев зон проводимости и валентной, соответственно; Iф=Iкз - ток короткого замыкания, Iн, Uн - ток и напряжение на нагрузке, соответствующее максимальной электрической мощности Pэл.max, отдаваемой образцом ФЭП.

где A - const, Io - ток насыщения.

В соответствии с выражением (1) подводимая энергия излучения, теряемая и отводимая электрическая энергия представляется в виде диаграммы Кривая на рисунке ниже представляет собой нагрузочную характеристику

Прямоугольники 1 и 2 соответствуют энергетическим потерям на нагрев контактов, 3 - потери энергии в области p-n перехода, 4 - полезная отводимая электрическая энергия, 5 - потери при рекомбинации электронно - дырочных пар при протекании темнового тока. В сумме площадь всех прямоугольников соответствует энергии подводимого излучения.

Таким образом, определение нагрузочной характеристики на устройстве позволяет установить соотношение компонентов энергетических потерь, а изменение этого соотношения при различных уровнях освещенности и различных температурах образца ФЭП - анализировать причины и оптимизировать конструктивное исполнение ФЭП.

Темновая вольт-амперная характеристикам ФЭП подобна ВАХ обычного полупроводникового диода. Если ФЭП осветить светом его ВАХ измениться. Нагрузочной световой ВАХ фотопреобразователя является зависимость тока нагрузки Iн, протекающего через сопротивление Rн подключенной к клеммам освещаемого ФЭП внешней нагрузки, от падения напряжения Uн на этом сопротивлении при монотонном изменении величины Rн от нуля до бесконечности. Из зависимости Iн =f(Uн) могут быть получены и рассчитаны выходные параметры: напряжение холостого хода Uхх, ток короткого замыкания Iкз, фактор заполнения FF, максимальная электрическая мощность Рнмах.

Коэффициент полезного действия з:

где W - мощность падающего светового потока; Uхх- напряжение холостого хода; Iкз - ток короткого замыкания, FF - фактор заполнения световой ВАХ.

Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Эффективность работы фотоэлектрического преобразователя зависит от оптических и электрофизических свойств полупроводникового материала:

1. Коэффициента отражения света от поверхности полупроводника, чем больше света

проникает вглубь базового слоя тем выше к.п.д.

2. Квантового выхода полупроводника, который показывает отношение числа поглотившихся фотонов к числу генерировавшихся при этом электронов. Этот коэффициент всегда меньше единицы так как часть фотонов поглощается на различных структурных несовершенствах полупроводника, что не приводит к генерации электрон-дырочной пары.

3. Диффузионной длины носителей заряда, которая должна обеспечить возможность

диффузии пар к энергетическому барьеру, на котором происходит их разделение. Соотношения между диффузионной длиной носителей заряда, глубиной залегания p-n-перехода относительно освещаемой поверхности и толщиной находящегося за ним полупроводникового слоя должно быть совместно оптимизировано.

4. Спектрального положение основной полосы поглощения солнечного излучения

5. От выпрямляющих характеристик p-n-перехода, которые определяют эффективность разделения носителей заряда.

6. Степени легирования областей полупроводника по обе стороны p-n-перехода, что

совместно с требованием минимизации сопротивления других слоев ФЭП, формы и места расположения токосъемных контактов обеспечивает низкое внутренне последовательное электросопротивление источника тока.

5.Конструктивно-технологические решения ФЭП на основе монокристаллического кремния

По своему конструктивно-технологическому решению фотоэлектрические преобразователи представляют собой наукоемкие изделия электронной техники. Самыми распространенными, надежными и долговечными являются ФЭП на основе монокристаллического кремния, которые впервые были применены десятки лет назад для электроснабжения космических аппаратов. В 2000 году было выпущено ФЭП на основе монокристаллов общей мощностью 200 МВт для наземного применения.

Желание примирить часто взаимно исключающие требования и найти оптимальное

компромиссное техническое решение привело разработчиков к выбору исходной конструкции ФЭП, изображенной на рисунке ниже. Для фотоэлектрических преобразователей из монокристаллического кремния с гомогенным p-n-переходом, занимающих в настоящее время ведущее положение при применениях, как в космических, так и в наземных условиях, такой конструктивный подход, оптимизируемый под конкретные применения, используется наиболее часто.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6.Перспективы развития

Высокая цена установок определяется высокой стоимостью солнечных модулей. При производстве монокристаллических кремниевых ФЭП затрачивается такое количество энергии и труда, которое не окупится в течение всего времени их эксплуатации (20-25 лет). В то же время ФЭП на основе поликристаллической кремниевой ленты являются достаточно коммерчески привлекательными, несмотря на более низкие значения к.п.д., так как в течение их эксплуатации они вырабатывают электроэнергии значительно больше, чем было затрачено на их производство.

По мнению большинства ученых наиболее перспективными для наземного использования являются тонкопленочные ФЭП, низкая стоимость которых при массовом производстве и при достаточной эффективности определяется уменьшением толщины ФЭП в 100 раз. Наибольшую эффективность демонстрируют солнечных элементы на основе пленок полупроводниковых поликристаллических соединений Cu(In,Ga)Se2, CdTe толщиной порядка нескольких мкм и пленок гидрогенизированного аморфного кремния aSi:H.

7. Список источников

1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. «Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения»

2. Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. «Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстримальных температурных колебаний»

3. http://ru.wikipedia.org

4. http://www.solar-odessa.com.ua/rus/documents/tech/photovoltage.pdf

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Обзор методов измерения физической величины и их сравнительный анализ. Принцип действия фотоэлектрических преобразователей. Избыточный коэффициент усиления. Источники погрешностей от приемников излучения. Погрешности от нестабильности условий измерений.

курсовая работа , добавлен 06.12.2014


Фотоэлектрические приемники лучистой энергии. Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства материалов. Фоторезисторы, их свойства и принцип работы. Световые характеристики фоторезисторов. Энергетический спектр валентных электронов в материалах.

реферат , добавлен 15.01.2015


Устройство, принцип действия, описание измерительных преобразователей механического сигнала в виде упругой балки, пьезоэлектрического, емкостного, фотоэлектрического и электромагнитного преобразователей. Оценка их числовых значений с помощью расчетов.

курсовая работа , добавлен 11.11.2013


Свойства индуктивных, емкостных, магнитострикционных, реостатных преобразователей и преобразователей Холла. Основные требования к преобразователю, принцип его действия. Расчет функции преобразования, чувствительности, основных параметров и погрешности.

курсовая работа , добавлен 29.07.2013


Применение аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для преобразования непрерывных сигналов в дискретные. Осуществление преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Анализ принципов работы АЦП и ЦАП.

лабораторная работа , добавлен 27.01.2013


Метод электромеханических аналогий: сведение анализа механических устройств к анализу эквивалентных электрических схем. Электромеханические преобразователи механической энергии в электрическую. Основные системы электромеханических преобразователей.

реферат , добавлен 16.11.2010


Понятия и основные характеристики преобразования, методы оценки их чувствительности, пределов и погрешности. Основные методы преобразования неэлектрических величин. Принцип действия параметрических и генераторных преобразователей неэлектрических величин.

реферат , добавлен 11.01.2016


Схема солнечной фотоэлектрической установки. Выбор электродвигателя и определение передаточных функций. Моделирование системы автоматического управления средствами MATLAB. Подбор микроконтроллера, драйвера двигателя и датчика уровня освещенности.

курсовая работа , добавлен 11.08.2012


Фотоэлектрические датчики положения, характеристика, сфера применения, принцип их работы. Ультразвуковые измерители с цифровым и аналоговым выходами, их преимущества. Индуктивные датчики положения и перемещения, принцип измерений, схема подключения.

курсовая работа , добавлен 25.04.2014


Солнечная батарея как объект моделирования. Общие принципы построения и отладки математической модели солнечных батарей. Кристаллические полупроводниковые материалы. Рекомендации по построению фотоэлектрических систем космического и наземного назначения.