Фотоэлемент, принцип работы и виды фотоэлементов.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.
Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент), виды и принцип работы фотоэлемента
Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент). Вакуумный фотоэлемент. Полупроводниковый фотоэлемент. Вентильный фотоэлемент:
Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.
Фотоэлемент является центральным элементом солнечной батареи.
Фотоэлементы подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Их действие основано соответственно либо на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), либо внутреннем фотоэффекте или вентильном (барьерном) фотоэффекте.
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).
Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
На основе внешнего фотоэффекта работают электровакуумные фотоэлементы. Электровакуумный фотоэлемент (вакуумный фотоэлемент) представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. Часть внутренней поверхности колбы покрывается тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступает в качестве катода. Он контактирует с проводом, который соединен с отрицательным источником тока. В середине колбы располагается электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом. Анод соединен с положительным источником тока. Другая часть колбы прозрачна и пропускает вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырываются электроны, которые во внешнем электрическом поле устремляются к аноду, создавая в цепи электрический ток.
На основе вакуумных фотоэлементов создаются оптические реле – элементы автоматических устройств, из которых образовываются различные автоматы с электронным зрением. Они широко используются во многих технологических процессах в промышленности.
Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.
В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.
На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Полупроводниковые фотоэлементы также используются для создания оптических реле, применяемых во многих автоматических устройствах в промышленности.
Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p–n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).
При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.
Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p–n переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей.
Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей. Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента 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.
КПД фотоэлементов:
КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.
Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов, произведенных на основе различных материалов.
Таблица 1.
Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % |
| Кремниевые | 24,7 |
| Si (кристаллический) | |
| Si (поликристаллический) | |
| Si (тонкопленочная передача) | |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 |
| Si (аморфный) | 9,5 |
| Si (нанокристаллический) | 10,1 |
| На основе арсенида галлия и т.п. | |
| GaAs (кристаллический) | 25,1 |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 |
| InP (кристаллический) | 21,9 |
| Тонкие плёнки халькогенидов | |
| CIGS (фотоэлемент) | 19,9 |
| CIGS (субмодуль) | 16,6 |
| CdTe (фотоэлемент) | 16,5 |
| Фотохимические | |
| На базе органических красителей | 10,4 |
| На базе органических красителей (субмодуль) | 7,9 |
| Органические | |
| Органический полимер | 5,15 |
| Многослойные | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 |
| GaInP/GaAs | 30,3 |
| GaAs/CIS (тонкопленочный) | 25,8 |
| a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) | 11,7 |
Такие огромные потери полупроводниковых фотоэлементов (невысокий КПД преобразования солнечного света в электрическую энергию) вызваны отражением солнечного излучения от поверхности фотоэлектрического преобразователя; прохождением части солнечного излучения через фотоэлемент без поглощения в нём; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловые колебания кристаллической решётки; рекомбинацией образовавшихся пар носителей зарядов; внутренним сопротивлением самого фотоэлемента и другими физическими процессами.
Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов, используемых в солнечных электростанциях и солнечных батареях, считаются кремний, селенид меди-индия-галлия (Cu(In,Ga)Se2) и арсенид галлия (GaAs).
Повышение КПД фотоэлементов возможно за счет:
– использования полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны (например, полупроводников из иных материалов нежели кремний: материалов на основе комплексных галогенидов сурьмы и висмута и пр.);
– направленного улучшения свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
– перехода от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
– оптимизации конструктивных параметров фотоэлектрического преобразователя (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
– применения многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту фотоэлемента от космической радиации;
– разработки фотоэлементов, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
– создания каскадных фотоэлементов из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
– создания фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней чувствительностью (добавляют дополнительные 80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны);
– применения люминесцентно-переизлучающих структур;
– использования линз Френеля,
– предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным фотоэлементами;
– использования различных нанослоев и нанопокрытий фотоэлементов и т.д.
Применение фотоэлементов:
Фотоэлементы используются:
– в солнечных батареях и электростанциях,
– в защитных устройствах,
– в системах управления производственными процессами,
– в химических анализаторах,
– в системах контроля за сгоранием топлива, за температурой,
– для контроля качества продукции массового производства,
– для светотехнических измерений,
– в указателях уровня,
– в счётных устройствах,
– для синхронизации,
– для автоматического открывания дверей,
– в реле времени,
– в записывающих устройствах,
– и прочих устройствах и оборудовании.
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоэлемент
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com