СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Физические основы солнечной фотоэнергетики

В СФЭУ используется явление фотоэффект, заключающийся в возможности прямого преобразования СИ в электричество в некоторых материалах, называемых полупроводниками, открытыми в 1887 г Герцем и детально исследованными в 1888 г Столетовым.

Суть фотоэффекта заключается в том, что фотоны света, как основа СИ, могут выбивать электроны или с поверхности тел (внеШнИй фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием СИ, падающего на граниwe пары металл-полупроводник некоторой ЭДС, вызывающей появление или изменение тока во внешней цепи, соединяющей указанную пару (фотоэффект, запирающего слоя или вентильный фотоэффект).

Устройства, основанные на внешнем и внутренним фотоэффекте здесь не рассматриваются, ввиду их аналогичности с термоэлектронными генераторами, рассмотренными выше.

Здесь же рассматриваются наиболее распространенные сегодня в мире и перспективные устройства на полупроводниковых переходах называемых фотоэлементами или солнечными элементами (СЭ). В СЭ под действием падающего СИ происходит пространственное перераспределение зарядов и возникает ЭДС. Сегодня подавляющее большинство СЭ представляют собой кремниевые полупроводниковые диоды впервые созданные в 1954 г.

Принципиальная схема и устройство СЭ показано на рис.5.1.

На металлический электрод 1 наносится на тыльную сторону кристаллической кремниевой основы. Эта основа легирована путем диффузии или ионной бомбардировки в своей нижней части примесными (акцепторными) атомами бора или алюминия, а в верхней, более тонкой части - донорными атомами фосфора или мышьяка. В результате этого легирования образуется слой 2-полупроводников р - типа с основными носителями зарядов положительного типа или дырками, а также тонкий слой 3-полупроводник п-типа с основными носителями зарядов отрицательного знака или свободными электронами. На лицевую сторону кристалла-кремния наносится лицевой контакт или электрод 4. К электродам 1 и 4 припаивается проводники 5, образующие внешнюю цепь с нагрузкой в) или другими СЭ.

При попадании СИ на СЭ в слоях 2 и 3 приосходит пространственное появление неосновных носителей зарядов, со знаками, противоположными основным носителям в п - и р - областях (соответственно со знаком "+" и "-" на рис.5.1). Под влиянием полученного электростатического притяжения свободные основные носители зарядов обоих знаков диффундируют через границу соприкосновения областей 2 и 3 и образуют вблизи нее р-п гетеропереход с напряженностью электрического поля Ей на рис.5.1), с контактной

Разностью потенциалов ик=Б-Ек (где £ - ширина пограничного слоя) и потенциальным энергетическим барьером Эк=е - ик для основных

Носителей, имеюЩиХ заряд электрона е/ Напряженность наведенного электрического поля Ек препятствует диффузии электронов за пределы пограничного слоя шириной £ Соответственно, контактная разность потенциалов ик может быть найдена по формуле:

(5.1)

Где к - постоянная Больцмана; к=(1,380622±0,000044)-10-23 Дж/0К;

Е°=1,6021892-10-19 Кулонов - заряд электрона; Рр и Рп - концентрация

Дырок или пр и пп - электронов в р - и п - областях с индексами р и п, соответственно. При этом п-область приобретает отрицательный, а область р - положительный заряд. Это эквивалентно приложению к р-п переходу внешнего электрического поля с напряженностью Евн, встречного с Ек. Поле напряженностью Евн является запирающим для неосновных и движущимся для основных носителей зарядов. Динамическое равновесие потока носителей через р-п переход ведет к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов или И0, т. е. ЭДС холостого хода СЭ. Это явление в принципе может происходить и при отсутствии попадания СИ на СЭ. Если же СЭ облучается потоком фотонов или СИ, то фотоны сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла, имеюЩиМ некоторые энергетические уровни Эу. Если энергия фотонов, попадающих на СЭ больше, чем Эу, то электрон кристалла покидает свой уровень и образует "дырку" в кристалле; р-п переход разделяет пары электрон-дырка и И0 увеличивается. При этом энергия фотона Эф по квантовой теории определяется по формуле

Эф=Н-у,
где у, с-1 - частота данной волны СИ, h - постоянная Планка - одна из основных физики. Она отражает специфику закономерностей в микромире и играет фундаментальную роль в квантовой механике; величина h равна (6,626176+0,000044) -10-34 Дж-с.

Если энергия фотонов меньше Эу, то наличие СИ приводит только к нагреву СЭ. Кроме того, для каждого полупроводника существует и предельная энергия фотонов, когда дальнейшее увеличение Эф не может более привести к росту отдачи СЭ. В этом случае избыточная энергия фотонов, превышающая так называемую полосу поглощения, также используется лИшь на нагрев СЭ. Указанная полоса поглощения СЭ зависит от основного материала СЭ, количества и тоЛщиНы слоев полупроводника, их расположения по отношению к падающему СИ, лигируюЩиХ материалов и т. д.

В качестве примера на рис.5.2 представлена зависимость максимальной ожидаемой эффективности в процентах однослойных СЭ из разных материалов (Ое - германий; - кремний; ОаЛБ - арсенид галлия;

СёТе - кадмий-теур; СёБ - кадмий-селен), а также ее зависимость от температуры. Из рис. 5.2 следует, что при повышении температуры эффективность любого СЭ снижается. При этом из наиболее распространенных сегодня материалов СЭ наилучшие термические характеристики имеет арсенид галлия (см. ниже в этой главе). На этом же рисунке показаны и предельные значения Эф, т. е. запрещенной зоны для разных материалов полупроводников.

Если далее во внешнюю цепь СЭ включить некоторую нагрузку с сопротивлением гн, то по этой цепи пойдет ток I, направление которого встречно движению электронов. Дырки же перемещаются только в самом полупроводнике.

Чем больше мощность СИ, тем больше ток во внешней цепи. Однако его величина не может быть больше некоторого предельного тока СЭ, который определяется тем, что все валентные электроны переведены в свободное состояние. В целом зависимость тока СЭ (I) от его напряжения (и) при заданной величине мощности СИ, т. е.

Я (Вт/м ), называется вольтамперной характеристикой СЭ. Типовая ВАХ представлена на рис.5.3. Для нее можно выделить две характерные точки - точка холостого хода (хх) (гн®ж; ин= интах= ихх; 1=0) и точка короткого замыкания (КЗ), когда гн®0; I = Iтах= икз; ин=0. Очевидно, что полезная мощность СЭ будет равна произведению ин на I, т. е. Ысэ= ин ■ I и в точках ХХ и КЗ она равна нулю, достигая максимума при некоторых промежуточных значениях ин и I. Чем в большем диапазоне сохраняется постоянным значение К^д, тем выше качество СЭ. В частности на рис.5.3 даны ВАХ двух СЭ. При этом качество 1-го СЭ намного выше, чем у 2-ого при одних и тех же значениях I и ихх при Я (Вт/м )=сот1. Для возможности сопоставления ВАХ разных СЭ все технические характеристики СЭ приводятся при следующих стандартных или типовых значениях основных влияющих факторов:

Я=1000 Вт/м2; 1;0С=±250С; оптическая масса атмосферы, определяющая диапазон пропускаемых волн солнечного спектра -1.5, т. е АМ1.5.