1.15. Будова фотоелемента

Фотоелемент на основі напівпровідників складається з двох шарів з різною провідністю. До площин з різних сторін припаюють контакти, які використовуються для підключення зовнішнього ланцюга. Роль катода відіграє шар з n – провідністю (електронна провідність), роль анода р – шар (діркова провідність).

Струм в n – шарі створює рух електронів, які вириваються при попаданні на них світла за рахунок фотоефекту. Струм в р – шарі створюється “рухом дірок”. “Дірка – атом, який втратив електрон, відповідно, перескакування електронів з дірки на дірку створює рук електронів в кристалі”. Дірки не руйнуються, це тільки їх умовна назва.

На стику шарів з n-і p-провідністю створюється pn-перехід. Виходить свого роду діод, який може створювати різницю потенціалів за рахунок потрапляння променів світла.

1.16. Фотоефект

Розрізняють: зовнішній фотоефект – вибивання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), гамма-випромінювання тощо; внутрішній фотоефект – збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність); вентильний фотоефект – збудження світлом електрорушійної сили на межі між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками (р-n перехід).

Явище фотоефекту покладено в основу дії фотоелементів.

1.17. Фотопровідність.

Фізична природа фотопровідності.

Фотопровідність — явище збільшення електропровідності речовини при освітленні.

Фотопровідність властива напівпровідникам. Електропровідність напівпровідників обмежена браком носіїв заряду. При поглинанні фотона електрон переходить із валентної зони в зону провідності. Як наслідок утворюється пара носів заряду: електрон у зоні провідності й дірка у валентній зоні. Обидва носії заряду при прикладеній до напівпровідника напрузі вносять вклад у електричний струм.

При збудженні фотопровідності у власному напівпровіднику енергія фотона повинна перевищувати ширину забороненої зони. У напівпровіднику з домішками поглинання фотона може супроводжуватися переходом із домішкового рівня, що дозволяє збільшити довжину хвилі світла, яке викликає фотопровідність. Умовою високої фотопровідності є також великий коефіцієнт поглинання світла, що реалізується в прямозонних напівпровідниках.

Явище фотопровідності використовується у фотоелементах, найважливішою складовою частиною яких є фоторезистори. Фотопровідність важлива також для детектування інфрачервоного випромінювання й застосовується, наприклад, у приладах нічного бачення. Збільшення провідності при освітленні використовується також у ксерографії, під час якої електричні заряди стікають із освітлених місць попередньо електризованої площини напівпровідникового барабана.

Коли промені світла потрапляють на n-шар, за рахунок фотоефекту утворюються вільні електрони. Крім цього, вони отримують додаткову енергію і здатні «перестрибнути» через потенційний бар'єр p-n-переходу. Концентрація електронів і дірок змінюється і утворюється різниця потенціалів. Якщо замкнути зовнішній ланцюг через неї почне текти струм.

Різниця потенціалів (а відповідно і ЕРС) яку може створювати фотоелемент залежить від багатьох факторів: інтенсивності сонячного випромінювання, площі фотоелемента, ККД конструкції, температури (при нагріванні провідність падає).

Сіліцій Золото Селен

Рис 1.4 Вміст сонячних елементів

Фотоелемент з'явився в 1883 році в лабораторії Чарьза Фріттса. Він був виготовлений з селену, покритого золотом. На жаль, але такий набір матеріалів показав невисокі результати - близько 1% ККД.

Революція у використанні фотоелементів сталася тоді, коли в надрах лабораторії компанії «Bell Telephone» був створений перший елемент на кремнії. Компанія потребувала джерела електроенергії для телефонних станцій, і, можна сказати, була першою компанією, яка використала альтернативне джерело на сонячній енергії.

Кремній до сих пір залишається основних матеріалом для виробництва фотоелементів. Взагалі кремній (Silicium, Silicon) - другий за поширеністю елемент на Землі, запаси його величезні. Однак в промисловому його використанні є одна велика проблема - його очищення. Процес цей дуже трудомісткий і витратний, тому чистий кремній коштує дорого. Зараз ведеться пошук аналогів, які б не поступалимяся кремнію по ККД. Перспективними вважаються сполуки міді, індію, селену, галію і кадмію, а також органічні фотоелементи.