Фотоэффект и принцип работы солнечной батареи

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта. Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например в p-n переходе).

Фотопроводимость, фоторезистивный эффект, увеличение электропроводности полупроводника под действием электромагнитного излучения. Впервые Фотопроводимость наблюдалась в Se У. Смитом (США) в 1873. Обычно Фотопроводимость обусловлена увеличением концентрации носителей тока под действием света (концентрационная Фотопроводимость). Она возникает в результате нескольких процессов: фотоны «вырывают» электроны из валентной зоны и «забрасывают» их в зону проводимости (рис. 1), при этом одновременно возрастает число электронов проводимости и дырок (собственная Фотопроводимость); электроны из заполненной зоны забрасываются на свободные примесные уровни - возрастает число дырок (дырочная примесная Фотопроводимость); электроны забрасываются с примесных уровней в зону проводимости (электронная примесная Фотопроводимость). Возможно комбинированное возбуждение Фотопроводимость «собственным» и «примесным» светом: «собственное» возбуждение в результате последующих процессов захвата носителей приводит к заполнению примесных центров и, следовательно, к появлению примесной Фотопроводимость (индуцированная примесная Фотопроводимость). Концентрационная Фотопроводимость может возникать только при возбуждении достаточно коротковолновым излучением, когда энергия фотонов превышает либо ширину запрещенной зоны (в случае собственной и индуцированной Фотопроводимость), либо расстояние между одной из зон и примесным уровнем (в случае электронной или дырочной примесной Фотопроводимость).

2. Фотометр

(от фото... и ...метр), прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других - одной или нескольких световых величин. При использовании Ф. осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью. Освещённость измеряют люксметрами, яркость - яркомерами, световой поток и световую энергию - с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами. Если в качестве приёмника используется глаз, Ф. называются визуальными, или зрительными, если же применяется какой-либо физический приёмник, Ф. называются физическими. Оптический блок Ф., иногда называемый фотометрической головкой, содержит линзы, светорассеивающие пластинки, ослабители света, светофильтры, диафрагмы (см. Диафрагма в оптике) и приёмник излучения. Чаще всего в Ф. с физическими приёмниками поток излучения преобразуется в электрический сигнал, регистрируемый устройствами типа микроамперметра, вольтметра и т.д. В импульсных Ф. (см. Фотометрия импульсная) применяют регистрирующие устройства типа электрометра, запоминающего осциллографа, пикового вольтметра. В визуальном Ф. равенство яркостей двух полей сравнения, освещаемых по отдельности сраниваемыми световыми потоками, устанавливается глазом, который располагается у окуляра фотометрической головки.

Фотофон, физ., прибор для передачи на расстояние звуков с помощью света, изобретен 1880 Беллем, основан на свойстве селена изменять электропроводимость от действия световых лучей, отражаемых от вибрирующего под влиянием звука зеркала. Применения не получил.

3. Принцип работы солнечных батарей

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Природа этого явления.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 проебразователя,-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. 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.;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.5В 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 кол-вах 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.

Размещено на Allbest.ru