Фотоэлемент

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, использующий явление внешнего фотоэффекта

Полуволные средства стимуляции

Фотоэлемент на основе поликристаллического кремния

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 32,5 %. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 43,5 %, 44,4 %, 44,7 %.

Отсутствие выпрямительных диодов и эффективных антенн на частоты электромагнитного излучения, соответствующие свету, пока не позволяет создавать фотоэлектрические преобразователи, использующие свойства кванта как электромагнитной волны, наводящей переменную ЭДС в дипольной антенне, хотя, теоретически, это возможно. От таких устройств можно было бы ожидать не только лучшего КПД, но и меньшей температурной зависимости и деградации со временем.

Физический принцип работы фотоэлемента

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом 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. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

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

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

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• 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, линз Френеля, 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.

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат 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.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки.

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, то есть фактически целой отрасли промышленности. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Кроме того, фотоэлементы используются в защитных устройствах, в системах управления производственными процессами, химических анализаторах, системах контроля за сгоранием топлива, за температурой, для контроля качества продукции массового производства, для светотехнических измерений, в указателях уровня, в счётных устройствах, для синхронизации, для автоматического открывания дверей, в реле времени, в записывающих устройствах.

См. также

• Органические полупроводники
• Солнечная энергетика
• Солнечная батарея
• Solar Impulse (официальное название HB-SIA) — европейский проект по созданию самолёта, работающего исключительно на солнечных батареях.
• Рулонная технология

Литература

• Саммер В. Фотоэлементы в промышленности. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1961. — 568 с. — 12 000 экз.
• Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. — Л.: Наука, 1989. — 310 с. — ISBN 5-02-024384-1. Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. — 4 изд.. — М., 1987.
• Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. — 2 изд.. — М., 1988.
• Marti A., Luque A. Next generation photovoltaics. — B&Ph.: Institute of physics publishing, 2004. — 344 с. — ISBN 0-75-030905-9.