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 nо свободных электронов и такое же количество неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси.
В дырочном полупроводнике (полупроводнике p-типа) реализуется подобная ситуация. В нем имеется pо 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.
