Спектральная чувствительность различных материалов

Солнечные фотопреобразователи

В земных условиях получение энергии происходит тремя основными путями. Во-первых, за счёт топлива: химического (уголь, нефть, газ...) и ядерного. Второй путь  это превращение кинетической энергии в работу. Можно заставить производить работу водяные потоки (гидроэлектростанции), воздушные потоки (ветряные мельницы), приливные волны. Третий путь  использование разности температур (геотермальные станции).

Все эти возможности возникают благодаря приходу на нашу планету энергии Солнца. Мощность солнечной энергии, падающей на всю Землю, составляет 10¹⁴ кВт (1,4 кВт на 1 м²). Это примерно в 10⁶ раз больше, чем мощность, потребляемая сейчас всем населением Земли.

Солнечный спектр имеет широкий диапазон 0,22...3 мкм. Спектр излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно чёрного тела, нагретого до температуры 5800 К, что намного превышает температуру окружающей среды (300 К). Последнее означает, что предельный термодинамический КПД преобразователя солнечной энергии может быть близок к 100 %.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является экологически чистым и быстроразвивающимся направлением получения энергии. Гелиоэнергетика сейчас успешно используется в системах энергопитания космических аппаратов и для обеспечения энергией автономных потребителей.

Впервые на перспективы использования фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии обратил внимание еще в 1930-х годах А.Ф.Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия их КПД доведён до 1025%.

Экономические аспекты применения солнечных элементов характеризуются такими важнейшими комбинированными показателями, как отношение стоимости, площади активной поверхности, массы элемента к вырабатываемой этим элементом мощности. Основные технические параметры солнечных элементов: максимальная отдаваемая в нагрузку электрическая мощность P, КПД, напряжение холостого хода U_xx, ток короткого замыкания I_кз, последовательное сопротивление R, коэффициент формы А = P_m /(I_кз U_хх), степень концентрации излучения K_с .

КПД преобразователя солнечной энергии теоретически определяется значением E_g солнечного элемента. Если E_g велико, то значительная часть фотонов не может вызвать генерацию электронно-дырочных пар. Если E_g мало, то значение I_кз оказывается максимальным, но падает U_xx, которое в пределе не может превысить E_g /e.

Расчёт показывает, что предельный КПД кремниевых элементов (E_g1,1 эВ) равен 23%.

Лучшее согласование с солнечным спектром дают арсенид-галлиевые элементы (Е_g  1,4 эВ).

Основные факторы, снижающие теоретические предельные значения КПД, следующие: поглощение излучения в металлических электродах (чаще всего гребёнчатого или решётчатого вида), отражение света от рабочей поверхности (уменьшается просветлением), рекомбинационные потери носителей заряда, омические потери мощности на внутреннем сопротивлении элемента, эффекты, обусловленные разогревом, и т. п.

Для получения солнечных элементов используются разные виды выпрямляющих контактов: p-i-n структуры, гетеропереходы, барьеры Шотки, МДП структуры; с применением полупроводников в моно-, поликристаллическом и аморфном виде.

Типичной "классической" структурой солнечного преобразователя является кремниевый монокристаллический n-p-переход с оптимальной толщиной и удельным сопротивлением базовой области. Кремниевые ФЭП имеют U_xx, равное 0,50,6 В, I_кз < 40 мА/см² при К_с = 1, и допускают степень концентрации солнечного излучения К_с = 2040, при которой ещё сохраняется пропорциональность I_кз  К_с и темновой ток вследствие разогрева невелик.

Для повышения КПД используется ряд принципов, например, каскадное преобразование. В простейшем случае это два фотоэлемента, расположенные друг за другом, для которых E_g1 > E_g2. В первом элементе поглощаются и преобразуются только коротковолновые кванты, во втором  длинноволновые, прошедшие без поглощения через первый. Подобный же принцип, но на более совершенной технологической основе, используется в гетероструктурах с варизонной базой (база имеет переменное по глубине значение запрещённой зоны E, уменьшающееся по мере углубления).

Теоретические оценки показывают, что КПД солнечных фотопреобразователей может превысить 50% и приблизится к 90%. Для сравнения: КПД преобразования в цикле "растительный фотосинтез  органическое топливо  тепловая машина  электрический генератор" составляет лишь 0,001%.