1.2. Применение полупроводниковых фотоэлементов

Фотоэлементы в виде солнечных батарей (совокупности электрически соединенных фотоэлементов) применяются для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Экологически это самый чистый способ получения электрической энергии не расходуется кислород атмосферы, нет вредных химических отходов, отсутствует опасность радиоактивного заражения, не расходуются невосполнимые запасы нефти и газа.

Развитие крупных фотоэлектрических установок задерживает лишь относительно высокая стоимость. Усовершенствование технологии, поиск новых материалов, переход к массовому производству приведет к снижению стоимости электроэнергии, полученной фотоэлектрическим способом. За десять лет она уменьшилась на порядок, и снижение стоимости еще продолжается.

Солнечные батареи обладают рядом преимуществ, помимо того, что используют чистый и неистощимый источник энергии. Они не имеют движущихся частей и потому не требуют постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала. Эти выгоды видны на примере работы дистанционно управляемых маяков, релейных станций дальней связи, космических аппаратов – сейчас в них используют достаточно мощные солнечные батареи.

Маломощные солнечные батареи и фотоэлементы уже нашли достаточно широкое применение как источники питания микрокалькуляторов, часов и т.п. Так как величина фото-Э.Д.С. зависит от освещенности, то фотоэлементы используют для измерения фотоэлектрических величин, например в люксметрах.

1.3. Обозначения полупроводниковых фотоэлементов

На электрических схемах полупроводниковые фотоэлементы изображаются значком гальванического элемента в корпусе с обозначенном светового потока стрелками.

Рис. 2. Обозначение полупроводникового фотоэлемента (а) и солнечной батареи (б) на электрических схемах и солнечной батареи (б) на электрических схемах

1.4. Основные характеристики и параметры

Основными характеристиками полупроводниковых фотоэлементов является спектральная, вольт-амперная и световая, а основными параметрами - максимальная мощность, оптимальное сопротивление нагрузки и коэффициент полезного действия.

1.4.1. Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока от напряжения.

Режиму работы фотоэлемента (режиму генерации фото-Э.Д.С.) соответствует часть вольтамперной характеристики освещенного p-n - перехода, расположенная в четвертом квадрате. На рис.3 представлены вольт-амперные характеристики при двух значениях освещенности. Точки пересечения кривых с осью напряжений соответствуют значениям фото-Э.Д.С. или напряжениям холостого хода U_хх при разных значениях освещенности.

Точки пересечения кривых с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания. Величина фото-Э.Д.С.(U_хх) зависит от освещенности перехода и не зависит от его площади, а величина тока короткого замыкания (I_кз) зависит от площади перехода. Поэтому сравнивают и оценивают фотоэлементы по значениям плотности тока короткого замыкания (J_кз). У кремниевых фотоэлементов при средней освещенности солнечным светом J_кз = 20 - 25 мА/см².

По вольт-амперным характеристикам при разных освещенностях можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. найти оптимальное сопротивление нагрузки, при котором на нагрузке выделяется наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на вольтамперной характеристике.

Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение на нагрузке U = 0,35 - 0,4 В, при плотности тока J = 15 - 20 мА/см².

1.4.2. Световые характеристики фотоэлемента - это зависимости фото-Э.Д.С. (U_хх) и тока короткого замыкания (I_КЗ) от светового потока или освещенности фотоэлемента. Они представлены на рис.4.

При слабых световых потоках и фото-Э.Д.С., и ток короткого замыкания возрастают пропорционально световому потоку. Эта пропорциональность лежит в основе измерительных приборов типа люксметров. Однако, при дальнейшем возрастании светового потока пропорциональность нарушается. Это связано с уменьшением заряда фотоэлектронов в п- области и фотодырок в р- области. Значение фото-Э.Д.С. не может расти до сколь угодно больших значений, оно при любом освещении не может превысить значение контактной разности потенциалов _к и ширину запрещенной зоны полупроводника.

1.4.3. Спектральная характеристика фотоэлемента - это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света. Спектральные характеристики фотоэлементов, фотодиодов и фоторезисторов имеют вид кривой с максимумом (рис.5). Длинноволновая граница (красная граница) определяется шириной запрещенной зоны Е полупроводника:

(1)

где h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме.

Коэффициент полезного действия (КПД) фотоэлемента - это отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к лучистой энергии, падающей на рабочую поверхность фотоэлемента:

(2)

КПД определяется в первую очередь соотношением между спектром излучения Солнца и спектральной чувствительностью фотоэлемента. К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД, относят отражение части излучения от поверхности полупроводника, фотоэлектрически неактивное поглощение кванта света (без образования пар носителей электрон-дырка), рекомбинацию неравновесных носителей еще до их разделения электрическим полем перехода (особенно на поверхности кристалла), потери мощности при прохождении через объемное сопротивление базы фотоэлемента.

Теоретический предел для КПД солнечного элемента на кремнии составляет около 28 %, КПД реальных элементов обычно не превышает 12 %. КПД можно существенно повысить используя в качестве исходного полупроводника арсенид галлия (реальный КПД 20 – 26 %), теллурид кадмия и другие материалы с несколько большей шириной запрещенной зоны, чем у кремния, а также используя фотоэлементы на основе гетеропереходов. К сожалению фотоэлементы с более высоким КПД имеют, как правило, более высокую стоимость.