Солнечное излучение преобразуется в электричество постоянного тока с помощью фотоэлемента, который представляет собой полупроводниковое устройство. Поскольку обычно источником излучения является солнце, их часто называют солнечными батареями. Отдельные фотоэлементы служат строительными блоками для модулей, которые, в свою очередь, служат строительными блоками для массивов и полноценных фотоэлектрических систем.
Полупроводниковые материалы используются для изготовления фотоэлементов. Полупроводник – это вещество, обладающее как изолирующими, так и проводящими характеристиками. При очень низких температурах полупроводники ведут себя как изоляторы, и их проводимость увеличивается с повышением температуры. При нормальных температурах электропроводность полупроводника находится между изоляцией и проводником. Некоторые полупроводники также вырабатывают напряжение или изменяют электропроводность при воздействии света.
В большинстве фотоэлементов используются разновидности кремния, измененные в процессе легирования, чтобы сделать их подходящими полупроводниками. Легирование – это процесс изменения электрических свойств полупроводников путем добавления небольших количеств примесных элементов. Четыре валентных (внешних) электрона в чистом кристаллическом кремнии связываются с внешними электронами других атомов кремния, чтобы создать кристаллическую структуру (как на следующем рисунке). Когда атомы бора с тремя валентными электронами добавляются к кристаллам кремния, атомы бора занимают место нескольких атомов кремния. В кристаллической структуре есть электронная пустота, в которой бор связывается с кремнием, потому что отсутствует четвертый электрон. Эта пустота также известна как дырка, потому что она может быть заполнена другими электронами. Это отсутствие отрицательного заряда называется носителем положительного заряда. Полупроводник p-типа имеет электронные пустоты.
Когда фосфор, который имеет пять валентных электронов, добавляется к кремнию, дополнительный электрон получается в том месте, где фосфор связывается с кремнием. Поскольку этот электрон лишь слабо связан с атомом фосфора, его можно легко заставить пройти через материал. Он считается отрицательным носителем заряда. Полупроводник n-типа – это полупроводник, в котором есть свободные электроны.
Фотоэлектрический эффект – это основной физический механизм, с помощью которого фотоэлемент преобразует свет в электричество (как на следующем рисунке). Когда материал поглощает фотоны с энергией выше определенного порога, фотоэлектрический эффект заставляет электроны перемещаться внутри материала. Фотон – это единица электромагнитного излучения. Фотоны имеют разное количество энергии в зависимости от длины волны, причем более короткие волны имеют более высокие энергии. Фотоны света передают свою энергию электронам на поверхности материала. Дополнительные электроны с достаточной энергией, чтобы покинуть свои атомы, проходят в виде электрического тока.
Фотоэлемент представляет собой p-n переход на тонкой плоской пластине. P-n-переход – это пересечение между соседними слоями полупроводниковых материалов p-типа и n-типа. Когда p-n-переход освещается, фотоны высокой энергии, поглощаемые на переходе, передают свою энергию электронам в материале, заставляя электроны переходить в более высокое энергетическое состояние. Электроны получают потенциальную энергию и могут выполнять полезную работу, пока не вернутся в состояние с более низкой энергией.
Многие из фотонов, достигающих фотоэлемента, имеют энергию, превышающую количество, необходимое для возбуждения электронов в проводящее состояние. Дополнительная энергия передает тепло кристаллической структуре элемента. Когда эти электроны возбуждены, они могут перемещаться к другим атомам, оставляя после себя пустоты или дырки. Дырки могут действовать аналогично электронам: кажется, что они движутся, когда соседний электрон движется, чтобы заполнить дырку, но они связаны с положительным зарядом. Электрическое поле, создаваемое p-n-переходом, предотвращает немедленную рекомбинацию электронов и дырок, что не приведет к работе. Электроны отталкиваются от слоя p-типа к верхней поверхности элемента, а дырки отталкиваются от слоя n-типа к нижней поверхности. Это создает разницу в электрическом потенциале (напряжении) между верхней и нижней поверхностями.
Металлические контакты на верхней поверхности элемента захватывают свободные электроны, а дырки мигрируют к нижней поверхности. Электроны должны перемещаться от верхней поверхности к нижней поверхности, чтобы рекомбинировать с дырками. Это достигается соединением поверхностей с нагрузками и проводниками. Электроны проходят через нагрузки, выполняя электрическую работу, затем достигают задней поверхности элемента и рекомбинируют с дырками.
Этот процесс разделения электронов и дырок энергией фотонов и выполнения работы перед рекомбинацией происходит непрерывно, пока фотоэлектрические элементы подвергаются воздействию света. Нет другого способа выключить фотоэлектрическое устройство, кроме как полностью покрыть поверхность непрозрачным материалом, чтобы свет не достигал поверхности элементов.
Фотоэлементы могут быть изготовлены из различных полупроводниковых материалов, хотя кристаллический кремний является наиболее распространенным. Основным сырьем для производства кремниевых элементов является поликремний чистотой не менее 99,99%, продукт, очищенный из кварца и кремнеземных песков. Различные марки поликремния, от полупроводниковых до металлургических, могут использоваться в производстве фотоэлементов и влиять на качество и эффективность производимых элементов.
По сравнению с конкурирующими материалами, элементы из кристаллического кремния (c-Si) предлагают лучшее соотношение производительности и стоимости, и в них используются многие из тех же сырьевых материалов и процессов, что и в полупроводниковой промышленности. Тем не менее, значительные исследования проводятся в области разработки новых технологий материалов фотоэлементов, а также повышения производительности и снижения стоимости существующих технологий.
Элементы из арсенида галлия (GaAs) более эффективны, чем элементы c-Si, но высокая стоимость и токсичность материалов GaAs ограничивают их использование в космических приложениях. Галлий также можно сплавить с индием, фосфором и алюминием для создания полупроводников, которые реагируют на различные длины волн электромагнитного излучения. Это свойство используется для создания многопереходных элементов, производства высокоэффективных элементов, привлекательных для концентрации фотоэлектрических приложений. Многопереходный элемент – это элемент, который максимизирует КПД за счет использования слоев отдельных элементов, каждый из которых реагирует на разные длины волн солнечной энергии. Верхний слой улавливает излучение с самой короткой длиной волны, в то время как компоненты с большей длиной волны проходят и поглощаются нижними слоями.
Тонкопленочные фотоэлектрические устройства представляют собой модульные подходы к проектированию элементов. Тонкопленочный модуль представляет собой фотоэлектрическое устройство на уровне модуля, вся подложка которого покрыта тонкими слоями полупроводникового материала с использованием методов химического осаждения из паровой фазы, а затем нанесена лазерная маркировка для определения границ отдельных элементов и создания электрических соединений между элементами. Аморфный кремний (a-Si), селенид меди, индия, галлия (CIGS) и теллурид кадмия (CdTe) сегодня являются одними из конкурирующих тонкопленочных технологий. Тонкопленочные модули дешевле в производстве и используют значительно меньше сырья, чем модули из кристаллического кремния, но большинство из них менее эффективны, чем кристаллический кремний, и могут быть не такими прочными в полевых условиях.
Фотоэлектрохимический элемент – это элементы, в котором для производства электричества из света используются химические процессы, а не полупроводники. Фотоэлектрохимические элементы включают сенсибилизированные красителем (Гретцеля) элементы и полимерные (пластиковые) элементы, которые иногда называют органическими элементами. КПД этих элементов все еще низкий, а коррозия от воздействия воды является серьезной проблемой, но эта технология по-прежнему остается многообещающей.
© digitrode.ru