Фотоелектричне перетворення сонячної енергії здійснюється в фотоелементах або сонячних елементах - напівпровідникових приладах, в яких відбувається просторове розділення позитивних і негативних носіїв заряду при поглинанні напівпровідником сонячного електромагнітного випромінювання.
Основна область застосування фотоелементів в даний час - штучні супутники Землі, вилучені станції зв'язку, морські маяки і ін. Передбачається в майбутньому використання їх в сільській місцевості в країнах, що розвиваються з жарким кліматом.
Фотоелементи все ще залишаються дорогими перетворювачами. Вартість фотоелемента - близько 4 доларів за 1 Вт максимальної встановленої потужності, вартість допоміжного устаткування-2 долари за 1 Вт. Довговічність - 20 років. При цих умовах вартість виробленої енергії становить 0,16 долара за 1 кВт · год (при опромінених місцевості 5,5 кВт · год / м² в день або приблизно 0,5 кВт / м²).
Пристрій і принцип дії фотоелемента розглянемо на прикладі найпоширенішого в даний час фотоелемента на основі кремнію. Кремнієві фотоелементи виготовляють шляхом дифузії фосфору з газового середовища в монокристал кремнію р-типу, отримуючи тонкий шар з n-провідністю, ріс.2.4.1.
Кристал кремнію товщиною 300-400 мкм з домішкою бору, що володіє р - провідність з одного боку піддають хімічному травленню, при якому формується тонкий шар матеріалу з провідністю n-типу шляхом дифузії донорів (фосфору) в поверхневий шар. Кристал для цього нагрівається у вакуумній камері до 1000 º в атмосфері азоту з добавкою хлористого-кислого фосфору.
Електричні контакти виготовляються методом фотолітографії. Спочатку для створення низкоомного контакту з кремнієм випаровують і наносять титан 3, потім тонкий шар паладію 4, щоб попередити хімічну взаємодію титану з сріблом, потім осаджують шар срібла 5 для отримання токопроводящей сітки.
Останніми в процесі вакуумного випаровування наносять протівоотражательние шари - алюмінієве напилення. На нього наноситься електричний металевий контакт 6.
Ріс.2.4.1. Фотоелемент. Принцип дії напівпровідникового фотоелемента.
Отже, в кристалі напівпровідника створені 2 області - з n-провідністю (електронна провідність) і р-провідністю (діркова провідність), ріс.2.4.1. У р-області концентрація основних носіїв струму, дірок, значно перевищує концентрацію неосновних носіїв, електронів, а в n-області - навпаки. По обидва боки від кордону розділу областей виникають нерівні концентрації електронів і дірок. Це викликає їх диффузионное рух в бік меншої концентрації. Електрони, переходячи в р-область, залишають за собою позитивно заряджені іони, які не можуть взяти участь у провідності, так як жорстко пов'язані з кристалічною решіткою. Дірки, переходячи в n- область, залишають негативно заряджені іони, які також пов'язані з гратами.
При опроміненні фотоелемента світловим потоком або при його нагріванні в матеріалі з'являються додаткові вільні носії. Під дією електричного поля р-n переходу вони переміщаються через перехід. Якщо замкнути ланцюг, то по ній потече струм, пропорційний світловому потоку. Таким чином фотоелемент сам є джерелом Е.Д.С.
Внутрішнє поле кремнієвого фотоелемента створює різницю потенціалів 0,5 В і допускає щільність струму до 200 А / м² при сонячному випромінюванні 1кВт / м².
Вольт-амперна характеристика фотоелемента:
К.К.Д. фотоелемента дорівнює 10¸20%. Фотоелементи з'єднують послідовно, утворюючи модулі. модулі з'єднуються паралельно, утворюючи батареї. Зазвичай модуль складається з 30-35 фотоелементів. Таке з'єднання має недоліки. При виході з ладу одного з елементів або нерівномірному освітленні його, він переходить в режим діода з прямим або зворотним зміщенням і може перегрітися. Для запобігання лавинного пробою паралельно фотоелементів встановлюють шунтуючі діоди. Фотоелементи мають у своєму розпорядженні в інертному наповнювачі під прозорою, герметичною, водонепроникною кришкою.
Основні технічні вимоги до фотоелементів:
· Вихідний матеріал повинен бути хімічно чистим зі стійкими властивостями.
· Фотоелементи повинні серійно випускатися і мати мінімальну вартість.
· Термін служби повинен бути не менше 20 років в умовах впливу навколишнього середовища при температурах від -30 до + 200ºС. Електричні контакти повинні бути стабільними і захищеними від корозії, вологи.
· Руйнування одного елемента не повинно призводити до виходу з ладу всієї системи (паралельне, послідовне з'єднання, шунтуючі діоди).
· Збірні модулі повинні бути транспортабельні.
Фотоелементи можуть бути отримані при контакті металу з напівпровідником. Для цього метал осідає у вигляді тонкої плівки на основний матеріал і утворюється р-n перехід. Недолік такої конструкції гарне відображення від металевої поверхні і великі рекомбінаційні втрати в зоні переходу. При виготовленні такого фотоелемента утворюється тонкий шар оксиду між металом і напівпровідником, який є ізолятором. Так можуть бути отримані фотоелементи з хорошими властивостями (метал-оксид-напівпровідник або метал-діелектрик-напівпровідник). В якості лицьової поверхні фотоелемента може бути використаний рідкий електроліт. Це забезпечує хороший електричний контакт, але відрізняється складністю виготовлення, низьким К.К.Д. і швидким забрудненням.
Деякі органічні матеріали на основі вуглецю можуть володіти напівпровідниковими властивостями. Порівняльна дешевизна матеріалів робить створення таких фотоелементів перспективним, але на сьогоднішній день їх К.К.Д. дуже низький (близько 1%).
Крім кремнію для виробництва фотоелементів застосовуються арсенід галію (GaAs) і сульфід кадмію (СdS). Фотоелементи на основі арсеніду галію створюють максимальну е.р.с. р-n переходу близько 0,9 В при К.К.Д. до 12 %.
Фотоелементи на основі сульфіду кадмію можуть бути виготовлені вакуумним напиленням тонких плівок сполук міді. р-n перехід легко руйнується через дифузії іонів міді.
Для цих фотоелементів Е.Д.С. дорівнює 0,5 В, а К.К.Д. до 10 %.
Існують конструкції вертикальних багатоперехідних елементів з послідовним або паралельним з'єднанням переходів. У стовпчик послідовно або паралельно з'єднують до 100 подібних переходів. Світло проникає через бічні поверхні переходів. Е.Д.С. на виході являє собою суму Е.Д.С. окремих елементів.
Широко використовуються кремнієві елементи дороги через складну технології вирощування кристалів, подальшої їх різання і обробки. Тому становить інтерес технологія отримання тонких плівок кремнію шляхом напилення пароподібного кремнію при температурі 2620ºС.
Лицьова поверхня фотоелемента виконується, так щоб відбите від поверхні випромінювання поверталося до неї назад (текстуровані поверхні), ріс.2.4.2.
Для більш ефективного використання дорогого активного матеріалу фотоелементів застосовує концентратори, ріс.3.4.3. Збільшення радіаційного потоку покращує характеристики фотоелемента, якщо температура підтримується близької до температури навколишнього повітря (система охолодження). Концентрація сонячного потоку здійснюється за допомогою лінійних параболічних відбивачів, а також лінз, дзеркал, призм.
Ріс.2.4.2. Текстурована поверхня фотоелемента (збільшено).
Ріс.2.4.3. Концентратор сонячного випромінювання для фотоелемента.
Ріс.2.4.4. Електрична схема зарядного пристрою з використанням фотоелектричного перетворювача (до прикладу 1).
Для отримання коефіцієнта концентрації менше 5 використовують не стежать за Сонцем системи, які використовують енергію як прямого, так і розсіяного випромінювання.
З інших перетворювачів сонячної енергії в електричну енергію можна назвати:
· Термоелектричні пристрої типу термопари, в яких Е.Д.С. виникає в ланцюзі, що складається з різнорідних провідників, контакти між якими мають різну температуру,
· Термоелектричні генератори при нагріванні напівпровідникових переходів і ін.
Енергетична ефективність таких систем - невелика.