II. Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии

В настоящее время очевидно, что запасы энергии, получаемой за счёт ископаемого топлива (нефть, газ, каменный уголь) в значительной мере ограничены. Поэтому уже в ближайшем будущем наиболее рентабельным может оказаться прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей.

Фотопреобразователем солнечной энергии (ФЭП) называется полупроводниковое устройство, которое позволяет превращать энергию солнечного излучения непосредственно в электроэнергию, минуя стадии тепловой и механической форм энергии.

Другие, часто применяемые названия этих устройств: фотоэлемент, солнечный фотоэлемент, солнечный элемент (от solar cell).

Работа солнечного фотопреобразователя основана на внутреннем фотоэффекте в полупроводниковой структуре, содержащей внутреннее электрическое поле (например, электронно-дырочный переход). Другое, более раннее название процессов при фотопреобразовании - вентильный фотоэффект.

Солнечный ФЭП наиболее простой конструкции представляет собой полупроводниковый кристалл, состоящий из двух слоев (областей) с различным типом проводимости (электронный – n, дырочный – p). Конструкция солнечного ФЭП на p-n –переходе показана на рис. 4.

Рис. 4 - Схема кремниевого монокристаллического солнечного элемента (ФЭП).

Слой p-типа имеет толщину 0,35 мм, p-n-переход залегает на глубине 0,5 мкм от верхней освещаемой поверхности, лицевой и тыльный контакты-металлические токоотводы, пунктиром обозначена область обеднения(или запирающий слой).

Принципиальную роль играет встроенное электрическое поле, которое возникает вблизи границы раздела p- и n- областей полупроводника и выделено на рис. 4 пунктиром.

Образование p-n-перехода. Полупроводник n-типа содержит некоторое количество примесных атомов донорного типа, которые при комнатной температуре практически все ионизованы. Таким образом, в таком полупроводнике имеется n_о свободных электронов и такое же количество неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси.

В дырочном полупроводнике (полупроводнике p-типа) реализуется подобная ситуация. В нем имеется p_о свободных дырок и столько же отрицательно заряженных ионов акцепторных атомов. Принцип образования p-n-перехода показан на рис. 5.

При контакте p- и n- областей в них, вследствие наличия градиента концентраций электронов и дырок, возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. Электроны, перешедшие из n-области в р-область, рекомбинируют с дырками вблизи границы раздела. Аналогично рекомбинируют дырки, перейдя из р-области в n- область. В результате вблизи p-n-перехода практически не остается свободных носителей заряда (электронов и дырок).

Рис. 5 – Образование p-n- перехода Рис.6 – Схема ФЭП, соединённого с

нагрузкой (R). Показаны полярность

напряжения и направление тока.

Тем самым по обе стороны от p-n-перехода образуется сформированный неподвижными примесными ионами двойной заряженный слой (другие названия – слой обеднения или область пространственного заряда (ОПЗ), запирающий слой). Электрическое поле запирающего слоя направлено от n –области к p-области и противодействует процессу диффузии основных носителей заряда из областей удаленных от p-n-перехода в обедненную область. Такое состояние является равновесным и при отсутствии внешних возмущений может существовать сколь угодно долго.

Принцип действия ФЭП. Оптическое (солнечное) излучение, поглощаемое в полупроводниковой структуре с p-n-переходом, создает свободные пары “электрон-дырка” при условии, что энергия фотона hν превышает ширину запрещенной зоны полупроводника Eg.

Свободные электроны и дырки возникают как в p- и n- областях перехода, так и в непосредственной близости к запирающему слою.

Существующее в запирающем слое электрическое поле разделяет созданные светом свободные носители заряда в зависимости от их знака: свободные электроны перемещаются в n-область перехода, а дырки перемещаются в p- область, что приводит к заряжению этих областей.

При разомкнутой внешней цепи (ФЭП не подключен к нагрузке) электроны и дырки, концентрирующиеся соответственно в n- и p- областях, приводят к разности потенциалов, смещающей p-n переход в прямом направлении. Если же ФЭП подключен к внешней электрической цепи, то создаваемые при освещении избыточные электроны и дырки приведут к возникновению во внешней цепи электрического тока.

Разделение зарядов встроенным электрическим полем характеризуют электродвижущей силой, называемой фотоэдс, а ток во внешней цепи называют фототоком.