Полупроводникови фотоволтаични преобразуватели на енергия (фотоелементи)

Фотоклетките са електронни устройства, предназначени да преобразуват енергията на фотоните в енергията на електрически ток.

В исторически план е изобретен първият прототип на съвременната фотоклетка Александър Г. Столетов в края на 19 век. Той създава устройство, което работи на принципа на външен фотоелектричен ефект. Първата експериментална инсталация се състои от чифт паралелни плоски метални листове, единият от които е направен от мрежа, за да позволи на светлината да преминава, а другият е твърд.

Към листовете беше приложено постоянно напрежение, което можеше да се регулира в диапазона от 0 до 250 волта. Положителният полюс на източника на напрежение беше свързан към електрода на мрежата, а отрицателният полюс — към твърдия. В схемата беше включен и чувствителен галванометър.

Когато плътен лист беше осветен със светлина от електрическа дъга, игла на галванометър отклонено, което показва, че във веригата се генерира постоянен ток, въпреки факта, че има въздух между дисковете. В експеримента ученият установи, че величината на «фототок» зависи както от приложеното напрежение, така и от интензитета на светлината.

Усложнявайки инсталацията, Столетов поставя електродите вътре в цилиндър, от който се евакуира въздух, а ултравиолетовата светлина се подава към чувствителния електрод през кварцов прозорец. Така беше отворен фотоефект.

Днес, въз основа на този ефект, работи фотоволтаични преобразуватели… Те реагират на електромагнитно излъчване, падащо върху повърхността на елемента и го превръщат в изходно напрежение. Пример за такъв преобразувател е слънчева клетка… Същият принцип се използва от фоточувствителни сензори.

Типична фотоклетка се състои от слой от фоточувствителен материал с висока устойчивост, който е притиснат между два проводими електрода. Като фотоволтаичен материал за слънчеви клетки, той обикновено се използва полупроводник, който, когато е напълно осветен, е в състояние да даде 0,5 волта на изхода.

Такива елементи са най -ефективни от гледна точка на генерираната енергия, тъй като позволяват директен едноетапен пренос на фотонна енергия — в електрически ток… При нормални условия ефективността от 28% е норма за такива елементи.

Тук възниква интензивен фотоелектричен ефект поради нехомогенността на полупроводниковата структура на работния материал. Тази неоднородност се получава или чрез легиране на използваното полупроводниково вещество с различни примеси, като по този начин се създава pn преход, или чрез свързване на полупроводници с различни размери на забранени празнини (енергии, при които електроните напускат атомите си) — по този начин се получава хетеросъединение, или чрез избор на такъв химичен състав на полупроводника, така че вътре да се появи градиент на лентовата междина — структура с градирана празнина. В резултат на това ефективността на даден елемент зависи от характеристиките на неоднородността, получени вътре в определена полупроводникова структура, както и от фотопроводимостта.

За да се намалят загубите в слънчева клетка, при производството им се използват редица разпоредби. Първо се използват полупроводници, чиято лентова зона е оптимална точно за слънчева светлина, например съединения на силиций и галиев арсенид.Второ, свойствата на конструкцията се подобряват чрез оптимално легиране. Предпочитание се дава на хетерогенни и градирани структури. Избират се оптималната дебелина на слоя, дълбочината на p-n-прехода и най-добрите параметри на контактната решетка.

Създават се и каскадни елементи, където работят няколко полупроводника с различна честотна лента, така че след преминаване през една каскада, светлината навлиза в следващата и т. Н. Идеята за разлагане на слънчевия спектър изглежда обещаваща, така че всеки от неговите регионите се трансформира от отделна секция от фотоклетка.

На пазара днес можете да намерите фотоволтаични клетки от три основни типа: монокристален силиций, поликристален силиций и тънкослоен. Тънкослойните се считат за най-обещаващи, тъй като са чувствителни дори към разсеяна светлина, могат да се поставят върху извити повърхности, не са толкова крехки като силиконовите и са ефективни дори при високи работни температури.

Вижте също: Ефективност на слънчевите клетки и модули