Фотоэлемент

Фотоэлемент
Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, использующий явление внешнего фотоэффекта

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Содержание

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии

Фотоэлемент на основе мультикристаллического кремния

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)[источник не указан 865 дней], поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%[1]. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43,5 %[2].

Физический принцип работы фотоэлемента

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП 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.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

  • отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
  • прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
  • рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
  • рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
  • внутренним сопротивлением преобразователя,
  • и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

  • использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
  • направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
  • переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
  • оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
  • применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
  • разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
  • создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

  • высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
  • высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
  • приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
  • минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
  • удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.[источник не указан 865 дней]

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью[источник не указан 865 дней]. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.[источник не указан 865 дней]

См. также

Примечания

  1. Технологии. Поликремниевые фотоэлементы
  2. "Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43.5% Efficiency" [1], 19 апреля, 2011

Литература

Ссылки



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Фотоэлемент" в других словарях:

  • фотоэлемент — фотоэлемент …   Орфографический словарь-справочник

  • фотоэлемент — Электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую, обычную с преобразованием оптического сигнала в электрический, и содержащий фотокатод и анод. [ГОСТ 13820 77] фотоэлемент Приемник излучения, реакция которого… …   Справочник технического переводчика

  • ФОТОЭЛЕМЕНТ — прибор, в котором под действием падающего на него света возникает электродвижущая сила (фотоэдс). Различают фотоэлементы электровакуумные и полупроводниковые. Используют в автоматической контрольной и измерительной аппаратуре …   Большой Энциклопедический словарь

  • ФОТОЭЛЕМЕНТ — ФОТОЭЛЕМЕНТ, разновидность ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА, чье действие зависит от количества света, воздействующего на него. Раньше представлял собой ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВУЮ ТРУБКУ с фоточувствительным КАТОДОМ, сейчас практически все фотоэлементы состоят… …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • ФОТОЭЛЕМЕНТ — ФОТОЭЛЕМЕНТ, а, муж. (спец.). Электронный прибор, в к ром под действием света возникает электродвижущая сила. | прил. фотоэлементный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • ФОТОЭЛЕМЕНТ — фотоэлектронный прибор, в к ром в результате поглощения энергии падающего на него оптич. излучения генерируется эдс (фотоэдс )или электрич. ток (фототок). Ф., действие к рого основано на фотоэлектронной эмиссии (внеш. фотоэффекте), представляет… …   Физическая энциклопедия

  • ФОТОЭЛЕМЕНТ — электровакуумный или полупроводниковый прибор, в котором под действием светового потока возникает (см.), который можно усилить с помощью электронных устройств и использовать для управления какой либо системой. Существуют Ф. с внешним, внутренним… …   Большая политехническая энциклопедия

  • фотоэлемент — прибор, в котором под действием падающего на него света возникает электродвижущая сила (фотоЭДС) или электрический ток (фототок). Различают фотоэлементы электровакуумные и полупроводниковые. Используют их в автоматической контрольной и… …   Энциклопедия техники

  • ФОТОЭЛЕМЕНТ — фотоэлектронный прибор, в к ром в результате поглощения падающего на него света возникает эдс (фотоэдс) или генерируется электрич. ток (фототек). Различают вакуумные и газонаполненные Ф., действие к рых осн. на фотоэффекте внешнем, и… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • фотоэлемент — а; м. Электронный прибор, действие которого основано на непосредственном преобразовании световой энергии в электрическую. Система контроля работает на фотоэлементах. * * * фотоэлемент прибор, в котором под действием падающего на него света… …   Энциклопедический словарь

Книги

Другие книги по запросу «Фотоэлемент» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.