Фотоелектричні перетворювачі

Пристрої для безпосереднього перетворення сонячної енергії в електроенергію називаються фотоперетворювачі. Перетворення сонячного світла в електроенергію відбувається в сонячних елементах, виготовлених з напівпровідникового матеріалу, наприклад, кремнію, які під впливом сонячного світла виробляють електричний струм. З'єднуючи ці елементи в батареї, можна будувати великі фотоелектричні станції. ККД фотоелектричних установок становить близько 17 - 20%. Сонячні фотоелектричні системи прості в обігу й не мають механізмів, що рухаються, однак самі фотоелементи містять складні напівпровідникові пристрої, аналогічні використовуваним для виробництва інтегральних схем. В основі дії сонячних елементів лежить фізичний принцип, при якому електричний струм виникає під впливом світла між двома напівпровідниками з різними типами провідності. Сонячний елемент виготовляється на основі пластини, виконаної з напівпровідникового матеріалу, що містить області з р- і n- типами провідності, тобто який має p-η перехід. Розглянемо p-η перехід утворений при контакті двох напівпровідників електронного й діркового типів провідності. Нехай концентрація донорної домішки в n області рівна - Nd, а концентрація акцепторної домішки в р області рівна - Na. При цьому концентрація вільних електронів в η області рівна гл, а концентрація вільних дірок у р області рівна pp. Приймемо, що перехід перебуває при досить високій температурі, значить уся домішка в обох областях повністю іонізована, і виконується умова Nd = nn і Na = pp. Енергетична зонна діаграма такого переходу наведена на Рис. (1.11) Тут і - дно зони провідності в p и n областях переходу; і – стеля валентної зони в p и n областях відповідно. Потенційний бар'єр між p и n областями, обумовлений дифузійним потенціалом,

(11.1)

приводить до формування об'ємних зарядів – qna, товщиною Lp у р - області й qnd, товщиною Ln, в η - області переходу (Рис. 1.9). При цьому, якщо концентрації електронів і дірок в обох областях р - n переходу рівні, тобто pp = nn, те Lp = Ln. Наявність об'ємних зарядів різних знаків, у свою чергу приводни до виникнення контактного електричного поля. Це електричне поле локалізовано на границі поділу р і η областей p-η переходу. Товщина області локалізації цього електричного поля обмежена відстанню від Lp до Ln. При рівноважних умовах, у відсутності висвітлення p-η переходу, потік термічно генерованих носіїв заряду відсутній.При освітленні p-η переходу, у наслідку поглинанні світла в напівпровіднику додатково збуджуються електронно-діркові пари. В областях електричної нейтральності (х < Lp і х >Ln) фотопорушення збільшує тільки енергію електронів і дірок, не розділяючи їх у просторі. В області локалізації електричного поля фотогенеровані носії заряду просторово розділяються цим полем. У результаті поділу фотогенерованих носіїв заряду, напівпровідник p-типу одержує надлишковий позитивний заряд, а напівпровідник η-типу одержує надлишковий негативний заряд. Між п- і p-областями р-n переходу виникає різниця потенціалів. Ця різниця потенціалів одержала назву - фото ЕРС. Полярність фотоерс відповідає "прямому" зсуву p-n переходу, яке знижує висоту потенційного бар'єра й сприяє інжекції дірок з p-області в n область і електронів з n-області в p-область. У результаті дії цих двох протилежних механізмів - генерація носіїв заряду під дією світла і їх відтоку

Рис. 11.1. Енергетична діаграма р-п переходу

через зниження висоти потенційного бар'єра – при різній інтенсивності світла встановлюється різна величина фотоерс. При цьому величина фотоерс зростає пропорційно логарифму інтенсивності світла. При короткому замиканні освітленого p-η переходу в електричному колі потече струм, пропорційний величині інтенсивності освітлення.

Гранична довжина хвилі, починаючи з якої фотони будуть поглинатися в матеріалі напівпровідникового сонячного елемента із шириною забороненої зони Eg, різна для різних матеріалів.

(11.2)

Довгохвильове випромінювання не поглинається в напівпровіднику й, отже, даремно з погляду фотоелектричного перетворення.

Сонячний елемент виготовляється на основі пластини, виконаної з напівпровідникового матеріалу, наприклад кремнію. Для формування р-п переходу в пластині створюються області з різними типами провідності. Для збору фотогенерованих носіїв заряду на обох поверхнях пластини виготовляються струмоз'ємними металеві омічні контакти. Верхній (фронтальний) контакт виконується у вигляді гребенчатої полоскової або концентричної структури, нижній контакт - суцільної. На рис. 11.2. показаний пристрій найпростішого сонячного елементу.

Де: 1 – омічні контакти; 2 – область провідності n - типу; 3 - область провідності р-типу.

На рис. 11.3. показані найпростіші сонячні елементи з різною конфігурацією фронтального контакту. На цьому Рис.: 2 – область напівпровідникової пластини п- типу провідності; 1 - омічні контакти: 3 – область напівпровідникової пластини р- типу провідності.

Рис. 11.2. Пристрій найпростішого сонячного елемента

Кристалічний кремній не єдиний напівпровідниковий матеріал для виготовлення сонячних елементів.

Аморфний кремній виступив як більш дешеву альтернативу монокристалічному. Перші СЕ на його основі були створені в 1975 році.

Рис. 11.3. Сонячні елементи різної конфігурації

Оптичне поглинання аморфного кремнію в 20 раз вище, чим кристалічного. Тому для істотного поглинання видимого світла досить плівки a-Si:H товщиною 0,5 - 1,0 мкм замість дорогих кремнієвих 300 - мкм підкладок. Крім того, завдяки існуючим технологіям одержання тонких плівок аморфного кремнію великої площі не потрібно операції різання, шліфування й полірування, необхідних для СЕ на основі монокристапічного кремнію. У порівнянні з полікристалічними кремнієвими елементами вироби на основі а- si:H роблять при більш низьких температурах (300°С): можна використовувати дешеві скляні підкладки, що скоротить витрату кремнію в 20 раз.

Поки максимальний ККД експериментальних елементів на основі а- Si:H -14% - трохи нижче ККД кристалічних кремнієвих СЕ (~18%). Однак не виключене, що з розвитком технології ККД елементів на основі a-Si:H досягнеться теоретичної стелі - 16 %.

Арсенід галію - один з найбільш перспективних матеріалів для створення високоефективних сонячних батарей. Це пояснюється наступними його особливостями:

• - майже ідеальна для одноперехідних сонячних елементів ширина забороненої зони 1,43 еВ;
• - підвищена здатність до поглинання сонячного випромінювання: потрібен шар товщиною всього в трохи мікрон;
• - висока радіаційна стійкість, разом з високою ефективністю, роблять цей матеріал надзвичайно привабливим для використання в космічних апаратах;
• - відносна нечутливість до нагрівання батарей на основі Gaas;
• - характеристики сплавів Gaas з алюмінієм, миш'яком, фосфором або індієм доповнюють характеристики Gaas, що розширює можливості при проектуванні сонячних елементів.

Головна перевага арсеніду галію й сплавів на його основі - широкий діапазон можливостей для дизайну СЕ. Фотоелемент на основі Gaas може складатися з декількох шарів різного состава. Це дозволяє розроблювачеві з великою точністю управляти генерацією носіїв заряду, що в кремнієвих сонячних елементах обмежене припустимим рівнем легування. Типовий сонячний елемент на основі Gaas складається з дуже тонкого шару Algaas у якості вікна. Основний недолік арсеніду галію - висока вартість. Для здешевлення виробництва пропонується формувати СЕ на більш дешевих підкладках; вирощувати шари Gaas на підкладках, що віддаляються, або підкладках багаторазового використання.

Створення сонячних елементів на основі гетеро-структур Algaasgaas відкрило нову сторінку сонячної фотоенергетики. У гетеро-структурах удалося сформувати без дефектну гетеро-межу й забезпечити ідеальні умови для фотогенерації електронно-діркових пара і їх збирання р-n-переходом. Оскільки гетерофотоелементи з арсенід-галієвої фотоактивною областю виявилися ще й більш радіаційно-стійкими, вони швидко знайшли застосування в космічній техніці, незважаючи на значно більш високу вартість у порівнянні із кремнієвими фотоелементами.

Це так само було обумовлено застосуванням нового епітаксиального методу вирощування гетероструктур-газофазної епітаксії з пар металоорганічних з'єднань (МОС ГФЕ).

Фоточутливі структури, виготовлені таким методом, мають рекордне значення ККД – 27.6% в умовах висвітлення концентрованим сонячним світлом.

Так само слід зазначити інтенсивний розвиток каскадних (багатоперехідних) сонячних елементів. На основі германієвих підкладок, використовуючи метод МОС ГФЕ, формуються багатошарові погоджені по періоду грат структури, у яких верхній фотоелемент мав γ-п-перехід у твердому розчині InosGaosP, а нижній фотоелемент - в Gaas. Послідовне з'єднання фотоелементів здійснювалося за допомогою тунельного р-n-переходу, спеціально формованого між каскадами. Надалі до процесу фотоелектричного перетворення був підключений і третій каскад з р-n-переходом у германієвої підкладки. На рис. 4.11. показана структура такого багатокаскадного фотоелемента. На цьому рис.: 1-фронтальні контакти; 2 – покриття, що просвітлює; 3 - перший каскад фотоелемента; 4 - перший тунельний р-n- перехід; 5 - другий каскад фотоелемента; 6 - другий тунельний р-n-перехід; 7 - третій каскад фотоелемента; 8 - тильний контакт. У цей час трикаскадні фотоелементи, що володіють ККД близько 28% уже використовуються для енергозабезпечення космічних апаратів.

Рис. 11.4. Багатокаскадний фотоелемент

Запропоновані й зовсім нові підходи, пов'язані з використанням матеріалів із квантовими крапками. Зокрема, мова йде про створення фотоактивного середовища з „проміжною зоною". У структурах багатокаскадних фотоелементів, крім використання знову створених матеріалів із заданим спектром поглинання, імовірно, можна було б поліпшити характеристики комутуючих тунельних діодів (побільшати піковий струм) шляхом уведення між n⁺- і р⁺- шарами решіток з вертикально зв'язаних квантових крапок. Полікристалічні тонкі плівки також досить перспективні для сонячної енергетики. Надзвичайно висока здатність до поглинання сонячного випромінювання в диселеніду міді й індію (Cuinse₂) - 99 % світла поглинається в першому мікроні цього матеріалу (ширина забороненої зони - 1,0 еВ). Найпоширенішим матеріалом для виготовлення вікна сонячної батареї на основі Cuinse₂ є Cds. Іноді для покращення прозорості вікна в сульфід кадмію додають цинк. Небагато галію в шарі Cuinse₂ збільшує ширину забороненої зони, що приводить до росту напруги холостого ходу й, отже, підвищенню ефективності пристрою.

Телурид кадмію (Cdte) - ще один перспективний матеріал для фотовольтаїки. У нього майже ідеальна ширина забороненої зони (1,44 еВ) і дуже висока здатність до поглинання випромінювання. Плівки Cdte досить дешеві у виготовленні. Крім того, технологічно нескладно одержувати різноманітні сплави Cdte с Zn, Hg і іншими елементами для створення шарів із заданими властивостями.

Подібно Cuinse2, найкращі елементи на основі Cdte включають гетероперехід з Cds у якості віконного шару. Оксид олова використовується як прозорий контакт покриття, що й просвітлює. Серйозна проблема на шляху застосування Cdte - високий опір шару p-Cdte, що приводить до більших внутрішніх втрат. Але вона вирішена в і-n-структурі з гетеро переходом Cdte/Znte. Плівки Cdte мають високу рухливість носіїв заряду, а сонячні елементи на їхній основі – високими значеннями ККД, від 10 до 16%.

Серед сонячних елементів особливе місце займають батареї, виготовлені на основі органічних матеріалів. Коефіцієнт корисної дії сонячних елементів на основі діоксиду титану, покритого органічним барвником, досить високий - ~12 %. Основа сонячних елементів даного типу - широкозоний напівпровідник, звичайно ТiО₂ покритий моношаром органічного барвника. Принцип роботи елемента заснований на фотопорушені барвника й швидкої інжекції електрона в зону провідності ТiО₂. При цьому молекула барвника окислиться, через елемент іде електричний струм і на платиновому електроді відбувається відновлення триіодіда до іодіда. Потім іодід проходить через електроліт до фотоелектроду, де відновлює окиснений барвник.