Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии (фотоэлементы)

Фотоэлементами называются электронные приборы, предназначенные для преобразования энергии фотонов в энергию электрического тока.

Исторически первый прообраз современного фотоэлемента изобрел Александр Григорьевич Столетов в конце 19 века. Он создал прибор, работавший на принципе внешнего фотоэффекта. Первая экспериментальная установка состояла из пары расположенных параллельно плоских металлических листов, один из которых был изготовлен из сетки, чтобы пропускать свет, а второй — сплошной.

На листы подавалось постоянное напряжение, которое можно было регулировать в пределах от 0 до 250 вольт. Положительный полюс источника напряжения был соединен с сетчатым электродом, а отрицательный — со сплошным. В цепь также был включен чувствительный гальванометр.

Когда сплошной лист освещали светом от электрической дуги, стрелка гальванометра отклонялась, показывая что в цепи возникает постоянный ток, несмотря на то, что между дисками находится воздух. В эксперименте ученый установил, что величина «фототока» зависит как от приложенного напряжения, так и от интенсивности света.

Усложнив установку, Столетов разместил электроды внутри баллона, из которого был откачан воздух, а через кварцевое окно на чувствительный электрод подавался ультрафиолет. Так был открыт фотоэффект.

Сегодня на основе данного эффекта работают фотоэлектрические преобразователи. Они реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность элемента, и преобразуют его в напряжение на выходе. Пример такого преобразователя — солнечный элемент. На этом же принципе работают и светочувствительные датчики.

В конструкцию типичного фотоэлемента входит слой фоточувствительного высокоомного материала, который размещен между двумя токопроводящими электродами. В качестве фотоэлектрического материала для солнечных элементов обычно используют полупроводник, который при полном его освещении способен дать на выходе 0,5 вольт.

Такие элементы наиболее эффективны с точки зрения вырабатываемой энергии, ведь они позволяют осуществить прямой одноступенчатый переход энергии фотонов — в электрический ток. При нормальных условиях КПД в 28% является для таких элементов нормой.

Интенсивный фотоэффект возникает здесь благодаря неоднородности полупроводниковой структуры рабочего материала. Эту неоднородность получают либо путем легирования используемого полупроводникового вещества различными примесями, создавая таки образом p-n-переход, либо соединяя полупроводники с различными размерами запрещенных зон (энергий, при которых электроны покидают свои атомы) — так получается гетеропереход, или путем подбора такого химического состава полупроводника, чтобы внутри проявлялся градиент ширины запрещенной зоны — варизонная структура. В итоге эффективность элемента зависит от характеристик неоднородности, получаемой внутри той или иной полупроводниковой структуры, а также от фотопроводимости.

Для того чтобы сократить потери в солнечном фотоэлементе, при их изготовлении прибегают к ряду положений. Во-первых, используются полупроводники, ширина запрещенной зоны которых оптимальна именно для солнечного света, например кремний и соединения арсенида галлия. Во-вторых, свойства структуры улучшают путем оптимального легирования. Отдают предпочтение гетерогенным и варизонным структурам. Подбирают оптимальную толщину слоя, глубину залегания p-n-перехода, лучшие параметры контактной сетки.

Создаются и каскадные элементы, где работают несколько полупроводников с разной шириной запрещенной зоны, чтобы пройдя чрез один каскад, свет попадал на следующий и т. д. Перспективной представляется идея разложения солнечного спектра с тем, чтобы каждую его область преобразовывал отдельный участок фотоэлемента.

На рынке сегодня можно встретить фотоэлектрические элементы трех основных типов: монокристаллические кремниевые, поликристаллические кремниевые и тонкопленочные. Тонкопленочные считаются наиболее перспективными, поскольку они чувствительны даже к рассеянному свету, допускают размещение на искривленных поверхностях, не так хрупки как кремниевые, эффективны даже при высоких температурах эксплуатации.