Что такое солнечный фотоэлектрический преобразователь

Глава 3. Фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения в электричество

При поглощении света полупроводниковой структурой происходит пространственное разделение положительных и отрицательных носителей тока, а в замкнутой цепи это устройство является источником электрической энергии. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник – полупроводник или металл – полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 Ам -2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВтм -2 . Выпускаемые промышленностью фотоэлементы имеют КПД от 10 до 20% при средней облученности и могут вырабатывать от 1 до 2 кВтм -2 электроэнергии в день.

Эти устройства на полупроводниковых переходах обычно называются фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС. Важно заметить, что фотоэлектрические устройства представляют собой источники электрической энергии, работающие от потока солнечного излучения. Солнечные элементы генерируют ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облученности. Эффективность использования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи.

Большинство солнечных элементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Типичная структура солнечного элемента с р-п-переходами: ДПБ –добавочный потенциальный барьер: 1 – от лицевой поверхности предыдущего элемента; 2 – противоотражательное покрытие; 3 – лицевой контакт; 4 – к тыльному контакту следующего элемента; 5 – металлический контакт с тыльной стороны

В настоящее время с помощью солнечных батарей обеспечиваются электроэнергией искусственные спутники Земли, а также они находят все больше применение в связи и других областях.

Полная стоимость солнечной батареи упала примерно в 25 раз за последние 25 лет и в настоящее время приближается к 100 рублям на 1 Вт мощности батареи. По прогнозам специалистов к 2005 году стоимость электроэнергии, полученной от солнечных батарей, будет составлять 58 центов за кВтч. Эти показатели позволяют конкурировать солнечным батареям с дизельными генераторами, особенно в отдаленных районах при мощности примерно до 20 кВт.

В этой главе будут рассмотрены физические принципы работы и технология изготовления фотоэлектрических батарей. Подробнее рассмотрим кремниевые фотоэлементы с р-n–переходом, поскольку они являются наиболее простыми и широко распространенными. На этой основе могут изучаться и другие модификации фотоэлементов. С этой целью будут даны рекомендации для практического использования солнечных батарей.

3.2.P-n–переход в кремнии

Большинство источников [17, 18] рассматривает свойства р-n-переходов без освещения (темновые параметры) Мы же рассмотрим более подробно свойства освещенных р-n–переходов.

Технический кремний с собственной проводимостью имеет концентрацию примесных атомов не выше 10 18 м -3 и удельное сопротивление _е  2500 Омм. Обычно электрические свойства собственных полупроводников описываются зонной теорией, согласно которой между валентной зоной и зоной проводимости существует энергетический зазор, называемый запрещенной зоной (рис. 3.2). Концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне собственного полупроводника пропорциональна exp(E_g/2kT).

Если в собственный полупроводник ввести определенные примеси в небольших количествах порядка 0,01 ат. %, то в нем возникнет примесная электропроводимость. Например, кремний относится к элементам IV группы периодической системы Д.И. Менделеева и его валентность равна четырем. Если четырехвалентный атом кремния замещен в кристаллической решетке атомом с меньшей валентностью (например, трехвалентным бором), то возникает акцепторный узел в решетке, захватывающей свободные электроны. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются в запрещенной зоне, вблизи валентной зоны. Отсутствие свободных электронов приводит к появлению положительно заряженных состояний, называемых дырками, которые перемещаются через вещество как свободные носители. Полупроводники с примесью акцепторных атомов имеют в качестве основных носителей дырки и называются полупроводниками р-типа (рис. 3.2). И наоборот, атомы с большей валентностью (например, фосфор из V группы) является донарами электронов. Полупроводники с примесью донорных атомов имеют основными носителями электроны проводимости и называются полупроводниками n-типа.

Рис. 3.2. Зонная структура собственного полупроводника Поглощение фотонов: если (h < E_g) – фотопоглощение отсутствует; h₁ > E_g – избыток энергии, который выделяется в виде тепла; h₂ = E_g – энергия фотона, равная ширине запретной зоны

И в том и другом случае в полупроводниках также имеются носители заряда противоположного знака, но их концентрация намного меньше, чем основных носителей. Они называются неосновными носителями (электроны для материала р-типа, дырки для n-типа).

Свободные электроны и дырки могут рекомбинировать, что приводит к исчезновению носителей.

Электропроводность примесных полупроводников обычно более высокая. По значению удельного сопротивления _е можно дать характеристику материалу: средние значения удельного сопротивления для кремниевых фотоэлементов _е  0,01 Омм (N_d  10 22 м -3 ) и _е  0,1 Омм (N_d  10 21 м -3 ). Здесь N_d – концентрация примесных ионов).

Проводимость полупроводников n-типа выше, чем материалов с собственной проводимостью, так как энергия ионизации доноров меньше ширины запрещенной зоны, и при термическом возбуждении электроны легче переходят в зону проводимости. Аналогично в материалах р-типа дырки легче попадают в валентную зону. Для наглядного объяснения этого явления вводят понятие уровня Ферми (рис. 3.3.)

Рис. 3.3. Уровень Ферми в полупроводниках (показан пунктиром): собственный полупроводник (а), примесь n-типа (б); примесь р-типа (в)

Уровень Ферми представляет собой основной уровень энергии в запрещенной зоне, с которого возбуждаются основные носители. Вероятность возбуждения пропорциональная exp(-е/2kT), где е – заряд электрона или дырки, е = 1,610 -19 Кл;  – разность потенциалов между уровнями Ферми и валентной зоной или зоной проводимости соответственно. Следует заметить, что электроны возбуждаются в зону проводимости, а дырки – в валентную зону.

Область, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной к дырочной, называется электронно-дырочным переходом (р-n–переходом). Переход не сформируется, если физически соединить две отдельных части материала.

Пусть в изолированном материале мгновенно сформировался р-n-переход (рис. 3.4, а).

E_g— (_n + _р)е

Рис. 3.4. Схема формирования р-n-перехода в фотоэлементе: — — — – уровни Ферми изолированных материалов (а); диаграмма энергетических уровней р-n-перехода с металлическими невыпрямляющими контактами; электроны и дырки диффундируют до установления равновесия (б)

збыток донорных электронов из материалаn-типа перейдет к акцепторам, дырки – в обратном направлении. Через определенное время установится равновесие. Электрическое поле, возникшее вследствие распределения зарядов противоположного знака по обе стороны перехода, уравновешивает диффузию, возникающую вследствие различия концентрации свободных электронов и дырок. В результате уровень Ферми оказывается под постоянным потенциалом.

Теперь результирующее движение зарядов происходит с преобладанием отрицательных зарядов в р-области и положительных в n-области. Запрещенная зона E_g существует во всем материале, и между энергиями зоны проводимости и валентной зоны возникает скачок потенциала (энергии), как показано на рис. 3.4,б. Величина скачка по энергиям будет равна eV_в (V_в – разность потенциалов), где V_в – скачок потенциала при нулевом токе через переход, т.е. соответствует потенциалу внутреннего поля изолированного перехода.

Следует заметить, что еV_в < E_g, так как

Сумма (_n +_p) уменьшается с увеличением концентрации примеси. Для сильно легированного кремниевого р-n-перехода Е_g = 1,11 эВ и (_n +_p)  0,3 В. Таким образом, в отсутствие тока в неосвещаемом кремниевом переходе контактная разность потенциалов

Баланс потенциальной энергии носителей по обе стороны р-n– перехода, представленный постоянством уровня Ферми в пределах перехода, приводит к тому, что область р-типа приобретает общий отрицательный заряд, а область n-типа – общий положительный. Общий эффект заключается в том, что электроны и дырки перемещаются от границы перехода, оставляя эту область сильно обедненной носителями.

Существенным является то, что общая концентрация носителей заряда в обедненной зоне р-n–перехода ниже примерно на 10 5 по сравнению с р- и n– областями.

Ширина ω р-n–перехода при n = p будет [18]:

, (3.3)

где _o – электрическая постоянная,  – диэлектрическая проницаемость материала. Например, для кремния при концентрации доноров 10 22 м -3   0,5 мкм и напряженность электрического поля V_в/ ~ 210 6 Вм -1 . Фотоэлектрические свойства перехода зависят от способности неосновных носителей диффундировать через потенциальный барьер. Необходимыми условиями этого является 

Если к электронно-дырочному переходу напылить металлические невыпрямляющие контакты и соединить их с внешним источником тока, то под влиянием этого происходит смещение энергетических уровней в р-n–материалах (рис. 3.5) При прямом смещении положительное направление тока соответствует переходу от р к n–материалу через пониженный потенциальный барьер V_в.

При обратном смещении потенциальный барьер повышается. Таким образом, р-n–переход работает как выпрямляющий диод. В полупроводниковых материалах электроны и дырки спонтанно переходят из связанных состояний и попадают в валентную зону и зону проводимости как носители зарядов. Это и есть процесс термического возбуждения, вероятность которого определяется фактором Больцмана

где Е – энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона или дырки из связанного состояния; к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

Рис. 3.5. Изолированный переход, нулевое смещение (а). Обратное (б) и прямое (в) смещения р-n–перехода. Ток I₀B, eV, eV

Для легированных материалов с примесной проводимостью Е=е, где  – разность потенциалов, необходимая для возбуждения электронов в материалах n-типа в зону проводимости и дырок в материалах р – типа в валентную зону. Отметим, что  определяется локально в области легирования еg (рис. 3.4, а).

Для сильно легированного кремния _е  0,01 Омм, N_d  10 22 м -3 е  0,2 В.

Возбужденные термически или иным способом электроны и дырки спустя некоторое время  рекомбинируют, проходя за это время в кристалле путь L, называемый диффузионной длиной. В особо чистых материалах время релаксации может быть большим (~1 с), но в легированных материалах оно намного меньше ( ~ 10 -2 :10 -8 с).

Таким образом, сильно легированные материалы характеризуются малыми временами релаксации. Вследствие больших площадей поверхности и конструктивных особенностей солнечных фотоэлементов поверхностная рекомбинация существенно влияет на их эксплуатационные характеристики.

Скорость поверхностной рекомбинации S_ (для кремния эта скорость обычно составляет 10 мс -1 ) определяется из соотношения

где J – плотность рекомбинационного потока, нормального к поверхности, м 2 с -1 ; N – концентрация носителей в полупроводнике, м -3 .

Вероятность рекомбинации носителей в единицу времени равна 1/. Для n электронов число актов рекомбинации в единицу времени есть n/_n.

Для р дырок – р/_р. В едином материале при равновесии эти величины должны быть равны:

. (3.5)

В р-материале, если р ~ 10 22 м –3 и n ~ 10 11 м –3 , то _n р и наоборот. Следовательно, в материалах, из которых чаще всего изготавливаются солнечные элементы, время жизни неосновных носителей на много порядков величины меньше, чем основных носителей, т.е. имеется большое количество основных носителей, с которыми могут рекомбинировать неосновные.

Вследствие существования градиента концентрации носителей dN/dx происходит диффузия их в среде полупроводника, что ведет к возникновению тока в направлении х, плотность которого описывается соотношением

, (3.6)

где D – коэффициент диффузии.

Для кремния типичное значение D составляет 3510 -4 м 2 с -1 – для электронов и 1210 -4 м 2 с -1 – для дырок.

Из физической статистики известно [19], что диффузионная длина определяется из соотношения Эйнштейна:

Таким образом, диффузионная длина неосновных носителей в кремнии p-типа (D~10 -3 м 2  с -1 ,  ~ 10 -5 с) составляет:

L  (10 -3 10 -5 ) 0,5 м  100 мкм . (3.8)

Свободные носители возникают в фотоэлементе при нагревании или освещении. Неосновные носители, возникшие в области потенциального барьера, переносятся под действием контактного поля через границу перехода. Как только эти носители пересекли границу перехода, они становятся основными носителями (рис. 3.5 и 3.6). Движение неосновных носителей для данного перехода без освещения определяется преимущественно температурой.

В изолированном переходе генерируемый ток уравновешивается возникающим в объеме материала противоположно направленным рекомбинированным током такой же величины I_r. Потенциал контактного поля под влиянием токов перехода несколько понижается. Повышение температуры приводит к увеличению I_g и, следовательно, к снижению V_в.

Рис. 3.6. Токи генерации (а) и рекомбинации (б) в р-п–переходе

Для данного материала ток генерации I_g определяется температурой, а ток рекомбинации может изменяться при приложении внешнего смещения, как указано на рис. 3.5 и 3.7.

Рис. 3.7. Токи генерации и рекомбинации при наличии внешнего смещения: прямого (а) и обратного (б)

При отсутствии освещения I_g определяется выражением [20]

, (3.9)

где N_i – концентрация собственных носителей, е – заряд носителей.

Однако на практике I_g очень трудно контролировать.

Следует заметить, что вероятность рекомбинации в области контактного поля очень мала, так как время t, в течение которого носители переходят сквозь эту область, составляет:

, (3.10)

где u – скорость дрейфа;  – подвижность носителей (0,1 м 2 Вс -1 ) в электрическом поле V_В/, где V_В ~ 0,6 В,  ~ 0,5 мкм.

Следовательно, tr (_r – время рекомбинации,  ~ 10 -2 : 10 -8 с.

Для неосвещенного p-n – перехода вольт-амперная характеристика имеет вид, приведенный на рис. 3.8.

Обратное смещение Прямое смещение

Рис. 3.8. Темновая характеристика p-n–перехода: — — — – при повышении температуры ток насыщения I₀ возрастает

Если внешнее напряжение не приложено (V = 0), то

При положительном прямом напряжении V>0 рекомбинационный ток возрастает с ростом V согласно закону:

. (3.12)

Эта формула хорошо известна из физики твердого тела [21].

Без сомнения, полный ток через p-n- переход (без освещения) будет:

где I₀ – носит название тока насыщения, которое возникает через p-n-переход при V < 0. Этот ток называется также током утечки или диффузионным током.

Для качественных солнечных элементов его величина находится в пределах I₀ ~10 -8 Ам -2 .

Фотоэлектрический преобразователь

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300—350 Кельвинов и Т_солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40 %, * а его увеличение до 50 % представляется вполне реальным.

Физический принцип работы солнечных батарей

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом 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.;

Фотоэлементы для 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 (десятки лет!) ресурсе работы;
высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затраты 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. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

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, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

Примечания

↑ «Солнечные батареи от Boeing-Spectrolab установили мировой рекорд по эффективности (40.7%)» Compulenta, 7 декабря, 2006

См. также

Фотоэлектрические преобразователи: основные принципы работы и применение в современных технологиях

Фотоэлектрические преобразователи – устройства, которые преобразуют энергию света в электрическую, их принцип работы основан на явлении фотоэлектрического эффекта, и они находят широкое применение в солнечных панелях, солнечных батареях и других устройствах для получения электрической энергии из солнечного света.

Фотоэлектрические преобразователи: основные принципы работы и применение в современных технологиях обновлено: 25 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

В рамках данной лекции мы рассмотрим фотоэлектрические преобразователи – устройства, способные преобразовывать световую энергию в электрический сигнал. Мы изучим принцип работы таких преобразователей, их различные типы, а также обсудим их применение в различных областях. Также мы рассмотрим преимущества и недостатки фотоэлектрических преобразователей, чтобы лучше понять их особенности и возможности использования. Давайте начнем наше изучение фотоэлектрических преобразователей!

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Фотоэлектрические преобразователи – это устройства, которые преобразуют световой сигнал в электрический сигнал. Они широко применяются в различных областях, таких как фотография, медицина, промышленность и т.д. Существует несколько типов фотоэлектрических преобразователей, каждый из которых имеет свои особенности и применение.

Фотодиоды

Фотодиоды – это самые простые и распространенные фотоэлектрические преобразователи. Они состоят из полупроводникового материала, который обладает свойством преобразовывать световой сигнал в электрический сигнал. Фотодиоды обычно используются для измерения интенсивности света или для обнаружения наличия света. Они имеют высокую скорость реакции и могут работать в широком диапазоне длин волн.

Фототранзисторы

Фототранзисторы – это усовершенствованные версии фотодиодов. Они имеют транзисторную структуру, что позволяет им усиливать электрический сигнал, полученный от светового сигнала. Фототранзисторы обычно используются в условиях низкой освещенности, где требуется более чувствительный и усиленный сигнал.

Фотоэлементы

Фотоэлементы – это более сложные фотоэлектрические преобразователи, которые состоят из нескольких фотодиодов или фототранзисторов, объединенных в одном устройстве. Они обычно используются для измерения спектра света или для определения цвета. Фотоэлементы могут быть чувствительны к различным длинам волн света и могут обеспечивать точные измерения.

Фотоэлектрические ячейки

Фотоэлектрические ячейки – это большие и мощные фотоэлектрические преобразователи, которые используются для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Они обычно состоят из множества фотодиодов или фототранзисторов, объединенных в матрицу. Фотоэлектрические ячейки широко применяются в солнечных батареях и солнечных панелях для генерации электричества.

Каждый из этих типов фотоэлектрических преобразователей имеет свои преимущества и недостатки, и выбор конкретного типа зависит от требований и условий конкретного приложения.

Применение фотоэлектрических преобразователей

Фотоэлектрические преобразователи широко применяются в различных областях и сферах деятельности. Вот некоторые из них:

Солнечная энергетика

Фотоэлектрические преобразователи, такие как солнечные батареи и солнечные панели, используются для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Они широко применяются в солнечных электростанциях, домашних солнечных системах и других солнечных установках для генерации электричества.

Освещение

Фотоэлектрические преобразователи используются в автоматических системах освещения, таких как уличные фонари и светофоры. Они могут обнаруживать уровень освещенности окружающей среды и автоматически включать или выключать свет в зависимости от условий.

Автоматические системы управления

Фотоэлектрические преобразователи используются в автоматических системах управления для обнаружения и измерения различных параметров. Например, они могут использоваться для измерения уровня жидкости в резервуарах, обнаружения движения в системах безопасности или контроля яркости в системах автоматического освещения.

Медицина

Фотоэлектрические преобразователи используются в медицинском оборудовании для измерения пульса, уровня кислорода в крови и других физиологических параметров. Они также могут использоваться в медицинской диагностике и образовании для получения изображений и анализа тканей.

Промышленность

Фотоэлектрические преобразователи используются в промышленности для контроля и измерения различных параметров процессов производства. Они могут использоваться для обнаружения наличия или отсутствия объектов, измерения расстояния, контроля скорости и других параметров.

Это лишь некоторые примеры применения фотоэлектрических преобразователей. В зависимости от требований и условий конкретного приложения, они могут использоваться во многих других областях и сферах деятельности.

Преимущества и недостатки фотоэлектрических преобразователей

Преимущества:

1. Высокая чувствительность: Фотоэлектрические преобразователи обладают высокой чувствительностью к свету, что позволяет им обнаруживать даже слабые сигналы.

2. Быстрый отклик: Они имеют быстрый отклик на изменения светового потока, что позволяет использовать их в приложениях, требующих высокой скорости реакции.

3. Широкий диапазон измерений: Фотоэлектрические преобразователи могут измерять световой поток в широком диапазоне, что делает их универсальными для различных приложений.

4. Не требуют контакта: Они работают без контакта с измеряемым объектом, что позволяет избежать износа и повреждений.

5. Малые размеры: Фотоэлектрические преобразователи обычно имеют компактный размер, что облегчает их установку и интеграцию в системы.

Недостатки:

1. Влияние окружающей среды: Фотоэлектрические преобразователи могут быть чувствительны к внешним условиям, таким как температура, влажность и электромагнитные помехи, что может повлиять на их точность и надежность.

2. Ограниченный диапазон измерений: В зависимости от конкретной модели, фотоэлектрические преобразователи могут иметь ограниченный диапазон измерений, что может ограничить их применение в некоторых приложениях.

3. Зависимость от источника света: Фотоэлектрические преобразователи могут быть зависимы от типа источника света, используемого в приложении. Некоторые модели могут быть более чувствительны к определенным длинам волн света, что может потребовать дополнительной настройки или выбора подходящего источника света.

4. Стоимость: Некоторые высококачественные фотоэлектрические преобразователи могут быть дорогими, особенно если требуется высокая точность и надежность.

В целом, фотоэлектрические преобразователи имеют множество преимуществ, которые делают их полезными во многих приложениях. Однако, перед использованием необходимо учитывать их недостатки и выбирать подходящую модель в зависимости от требований конкретного приложения.

Таблица фотоэлектрических преобразователей

Тип преобразователя	Описание	Принцип работы	Применение	Преимущества	Недостатки
Фотодиод	Полупроводниковый прибор, который преобразует световой сигнал в электрический сигнал	Основан на явлении фотоэлектрического эффекта, когда световые фотоны выбивают электроны из полупроводникового материала	Используется в фотоэлектрических схемах, солнечных батареях, оптических сенсорах	Высокая скорость работы, низкое энергопотребление, широкий спектр применения	Чувствительность к температурным изменениям, ограниченный диапазон длин волн
Фототранзистор	Усилительный прибор, который преобразует световой сигнал в электрический сигнал с усилением	Основан на комбинации фотоэффекта и транзисторного усиления	Используется в оптических приборах, системах автоматического управления, фотоэлектрических датчиках	Высокая чувствительность, возможность усиления сигнала, широкий диапазон рабочих частот	Чувствительность к температурным изменениям, ограниченный диапазон длин волн
Фотоэлемент	Устройство, которое преобразует световой сигнал в электрический сигнал с высокой точностью	Основан на использовании фоточувствительных материалов, которые меняют свои электрические свойства под воздействием света	Используется в фотометрах, спектрофотометрах, оптических счетчиках	Высокая точность измерений, широкий диапазон рабочих частот, низкое энергопотребление	Чувствительность к температурным изменениям, ограниченный диапазон длин волн

Заключение

Фотоэлектрические преобразователи являются устройствами, которые преобразуют световую энергию в электрическую. Они основаны на фотоэффекте, который заключается в высвобождении электронов при попадании фотонов света на поверхность материала. Фотоэлектрические преобразователи широко применяются в различных областях, таких как солнечная энергетика, оптические приборы, фотография и другие. Они обладают рядом преимуществ, таких как высокая эффективность, долговечность и надежность. Однако, у них также есть некоторые недостатки, такие как высокая стоимость и зависимость от освещенности. В целом, фотоэлектрические преобразователи являются важным элементом в современных технологиях и играют важную роль в преобразовании энергии.

3. Преобразователи солнечной энергии

Гелиоэнергетика (гелио. [греч. Helios — солнце] — первая составная часть сложных слов, означающая: относящийся к солнцу или солнечным лучам) развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечными батареями в просторечии называют и электрические и нагревательные устройства. Следует подчеркнуть разницу между элементами.

Различают три основных преобразователя солнечной энергии в электрическую:

Фотоэлектрические преобразователи- ФЭП— полу-проводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей (СБ).
Гелиоэлектростанции (ГЕЭС)- солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
Солнечные коллекторы (СК)- солнечные нагревательные низкотемпературные установки.

3.1. Фотоэлектрические преобразователи

3.1.1. Виды фотоэлектрических преобразователей

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую (т.к. это прямой, одноступенчатый переход энергии) являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350 Кельвинов и Т солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 % . Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленной на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально удастся поднять практический КПД до 50% и более ( в лабораториях уже достигнут КПД 40%). Теоретические исследования и практические разработки, в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации столь высоких значений КПД с ФЭП и определили основные пути достижения этой цели. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом 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 , обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n- переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары ) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е.электроны) свободно проходят через переход , а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными. 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 фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП,
внутренним сопротивлением преобразователя,
и некоторыми другими физическими процессами.

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, 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.5 В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства;
приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты 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.

Так, например, некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплутационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.д. 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, т.е. фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза. В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs. ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ. Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50-100мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs ,а другой материал, например синтетический сапфир (Al₂ O₃). ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и , кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70 °С является почти критическим — КПД падает вдвое. Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений — может быть даже выше 50-60 %. Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки ( отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150 °С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций ( особенно это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД). В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один — два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты , солнечные элементы большой площади и т.п. Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи снизились за 25 лет в 20-30 раз с 70-100 долл/ватт в семидесятых годах вплоть до 3,5 долл/ватт в 2000 г. и продолжают снижаться далее. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент перехода цены 3-долларового рубежа. По некоторым расчётам, это может произойти уже в 2002 г., а для России с нынешними энерготарифами этот момент наступит при цене 1 ватта СБ 0,3-0,5 доллара, то есть, при на порядок более низкой цене. Тут играют роль вместе взятые: тарифы, климат, географические широты, способности государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния — до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира. В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения. Галлий добывается в основном из бокситов , однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого ), не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния . В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солн. батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно, снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al₂O₃).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, в настоящее время трудно до конца отдать явное предпочтение одному из двух рассмотренных полупроводниковых материалов- кремнию или арсениду галлия, и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рационален для наземной и космической солнечных энергетик. Постольку-поскольку СБ выдают постоянный ток, то встаёт задача трансформации его в промышленный переменный 50 Гц ,220 В. С этой задачей отлично справляется специальный класс приборов- инверторы.