Фотоэлектрический преобразователь: принцип действия¶

Фотоэлектрический преобразователь — устройство, преобразующее энергию электромагнитного излучения (обычно света) непосредственно в электрическую энергию. В основе работы лежит фотоэлектрический эффект — явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в веществе под действием света. Наиболее распространённым типом фотоэлектрических преобразователей являются солнечные элементы (фотоэлементы), используемые для генерации электроэнергии.

¶Принцип действия

¶Физическая основа

Работа фотоэлектрического преобразователя основана на внутреннем фотоэффекте в полупроводниковых материалах. При поглощении фотона с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника, электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, образуя пару «электрон — дырка». Для разделения этих носителей заряда и создания разности потенциалов в структуре формируется p-n-переход.

¶Структура и механизм работы

Типичный кремниевый фотоэлектрический преобразователь состоит из двух слоёв кремния с разным типом проводимости:

• p-слой — кремний, легированный акцепторными примесями (например, бором), с избытком дырок;
• n-слой — кремний, легированный донорными примесями (например, фосфором), с избытком электронов.

На границе раздела образуется область пространственного заряда с встроенным электрическим полем. При поглощении света вблизи p-n-перехода генерируются неравновесные носители заряда, которые разделяются этим полем: электроны движутся в n-область, а дырки — в p-область. В результате на внешних контактах устройства возникает разность потенциалов, и при подключении нагрузки в цепи протекает электрический ток.

¶Электрические характеристики

Основные параметры фотоэлектрического преобразователя:

• Ток короткого замыкания (Iкз) — максимальный ток, возникающий при нулевом внешнем напряжении;
• Напряжение холостого хода (Uхх) — максимальное напряжение при разомкнутой цепи;
• Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение вырабатываемой электрической мощности к мощности падающего излучения;
• Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики — отношение максимальной мощности к произведению Iкз и Uхх.

¶Материалы и технологии

¶Кремниевые преобразователи

Кремний занимает доминирующее положение в производстве фотоэлектрических преобразователей. Различают три основные технологии:

• Монокристаллический кремний — обладает наибольшим КПД среди кремниевых технологий (до 26 % в лабораторных условиях), отличается высокой стоимостью производства;
• Поликристаллический кремний — более дешёвый в производстве, КПД составляет 15–20 %;
• Тонкоплёночный кремний — наносится на гибкие подложки, имеет низкий КПД (8–10 %), но малую себестоимость.

¶Альтернативные материалы

• Теллурид кадмия (CdTe) — тонкоплёночная технология с КПД до 22 %, требует утилизации токсичного кадмия;
• CIGS (медь-индий-галлий-селен) — тонкоплёночные элементы с КПД до 23 %, характеризуются высокой стабильностью;
• Перовскиты — перспективный класс материалов, за короткий срок развития достигли КПД более 25 %, однако имеют проблемы со стабильностью и содержат свинец;
• Арсенид галлия (GaAs) — используется в космической отрасли, КПД достигает 30 % и выше, применяется в многопереходных структурах.

¶Многопереходные элементы

Для повышения эффективности создаются каскадные (тандемные) структуры из нескольких p-n-переходов с различной шириной запрещённой зоны. Каждый слой поглощает определённую часть солнечного спектра, что позволяет достигать КПД более 40 % в условиях концентрированного излучения.

¶Применение

Фотоэлектрические преобразователи применяются в следующих областях:

• Солнечная энергетика — создание солнечных электростанций промышленного масштаба и автономных энергосистем;
• Космическая техника — питание бортовых систем искусственных спутников Земли и космических аппаратов;
• Бытовая электроника — питание калькуляторов, наручных часов, портативных зарядных устройств;
• Транспорт — электромобили с солнечными панелями на крыше, солнечные беспилотные летательные аппараты;
• Фотометрия и оптоэлектроника — фотодиоды, датчики освещённости, оптические приёмники в системах связи.

¶Ограничения и перспективы

Ключевым ограничением фотоэлектрических преобразователей является зависимость выработки энергии от освещённости и температуры: КПД снижается при нагреве элементов и в условиях рассеянного освещения. Ночью и в пасмурную погоду генерация невозможна или минимальна, что требует использования накопителей энергии или резервных источников питания.

Основные направления развития технологии связаны с повышением КПД, снижением стоимости производства, увеличением срока службы (современные элементы рассчитаны на 25–30 лет эксплуатации) и разработкой новых материалов, в частности перовскитных структур и органических полупроводников.

¶Источники

1. Стребков Д. С., Майорова Е. А. «Солнечная энергетика: учебное пособие». — М.: ВИЭСХ, 2013.
2. Колтун М. М. «Солнечные элементы». — М.: Наука, 1987.
3. Green M. A. «Solar Cells: Operating Principles, Technology and System Applications». — Kensington: University of New South Wales, 1998.
4. Luque A., Hegedus S. «Handbook of Photovoltaic Science and Engineering». — Chichester: John Wiley & Sons, 2011.