Электронно-дырочный p-n перехододно из основополагающих эффектов в твердотельной микроэлектронике. Р-n переход ключевой элемент, необходимый для создания кремниевых кристаллических фотоэлектрических (фотогальванических) преобразователей.
Полупроводники по типу проводимости классифицируют:
р-типа, в которых основной носитель зарядадырки, общепринятое названиедырочная проводимость;
n типа, в которых основной носитель зарядаэлектроны проводимости, отсюда и названиеэлектронная проводимость.
При этом, чтобы получить p-n переход, на пластине с одним типом проводимости необходимо создать слой с проводимостью другого типа.
Одно из важнейших свойств p-n перехода это его способность пропускать носители тока исключительно в одном заданном направлении, другими словами выполнять роль энергетического барьера. Поэтому именно этот эффект использован в солнечных элементах для получения электрического тока. Солнечное излучение, попадая на поверхность элемента, провоцирует генерирование в объеме полупроводника свободных разнополярных носителей заряда положительно заряженные дырки (р) и отрицательно электроны (n). Выступая в качестве барьера, p-n переход сортирует их, фильтруя на «свою» половину только определенный тин носителей заряда. В результате вместо хаотического движения в объеме полупроводника заряженные частицы, упорядоченно преодолевая p-n переход, оказываются по разным сторонам барьера, создавая напряжение на нагрузке, которая подключена к солнечному элементу.
Принцип работы солнечного модуля (солнечной панели, солнечной батареи), основан на физических свойствах полупроводников, имеющих способность создавать, под воздействием солнечного света, электронную проводимость «р-n» типа. Солнечный модуль состоит из определенного количества фотоэлементов, соединенных между собой, поэтому принцип работы устройства можно рассмотреть на работе отдельного элемента. Схематично, работа фотоэлемента, представлена на рис. 2.1. Фотоэлемент изготавливается из двух слоев кремния, в каждый из которых добавляются различные вещества, определяющие тип проводимости конкретного слоя. Так в верхний слой добавляется фосфор (N слой), а в нижнийбор (Р слой). Наличие разности потенциалов обуславливает возникновение электрического поля, под воздействием которого, разнозаряженные частицы начинают движение. Положительно заряженные движутся в верхний слой, отрицательно заряженные в нижний.
Рис.2.1. Схема работы фотоэлемента
Эмиттер (область n-типа) и база (область p-типа) соединяются проводами для протекания электронов по внешней цепи путем подключения нагрузки. Электроны рассеивают энергию на внешней нагрузке через цепь и возвращают к фотоэлементу.
Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении, однако, сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль.
Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный ток. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство технологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей. В настоящее время в ведущих странах мира проводятся работы по эффективности и снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник-полупроводник или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А·М-2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт·М-2. Промышленные фотоэлементы или солнечные элементы имеют КПД от 10 до 20%. При средней облученности могут вырабатывать от 1 до 2 кВт электроэнергии в день с 1 м2.
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.
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.
2.2. Поколения фотоэлементов
В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения фотоэлементов:
ФЭП первого поколения создаются на основе пластин кристаллического кремния;
ФЭП второго поколения создаются на основе тонких пленок;
ФЭП третьего поколения создаются на основе органических и неорганических материалов., а также на основе каскадных многослойных структур и развивающихся технологий, к которым относятся:
фотоэлементы с квантовыми точками,
фотоэлементы, сенсибилизированные красителем,
фотоэлементы на основе полимеров,
фотоэлементы на основе перовскита.
2.2.1. Первое поколение фотоэлементов
Первое поколение фотоэлементов классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом. Как правило, это пластины из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм. Они характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью. В последние годы производителям удалось сократить себестоимость производства их, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке около 82%
В ФЭП первого поколения используются следующие материалы:
монокристаллический кремний (mc-Si),
поликристаллический кремний (m-Si),
на основе GaAs, арсени́д га́ллия химическое соединение галлия и мышьяка,
ribbon-технологии (EFG, S-web),
тонкослойный поликремний (Apex).
Если основной элемент монокристаллической батареи это искусственно выращенный монокристалл больших размеров, то другой вид светоприемников имеет полупроводниковый элемент поликристаллической структуры. Считается, что для потребления энергии Солнца оптимальным вариантом являются поликристаллические солнечные батареи. Они дешевле своего монокристаллического аналога, так как для производства используют обрезки, оставшиеся после монокристаллических элементов. Кремний при изготовлении рабочего элемента поликристаллической панели просто охлаждается из горячего расплава, что не требует высоких затрат и сложных технологий. По внешнему виду поликристалл кремния отличается от монокристалла неоднородностью цветовой гаммы, отливающей голубым и светло-синим цветом.
В настоящее время основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде (SiO2).
ФЭП на основе монокристаллической пластины из кремния представлена на рис.2.2. Отличие этих преобразователей в том, что светочувствительные ячейки направлены только в одну сторону. Это дает возможность получать самый высокий КПД до 25%. Но при этом панель должна все время быть направлена на источник света (Солнце), иначе мощность отдачи существенно снижается. Такая панель хороша только в солнечную погоду и станет оптимальной для южных районов нашей страны.
Рис.2.2.ФЭП на основе монокристаллического кремния
Кремниевые монокристаллические панели легко узнать при визуальном осмотре. В углах элементов хорошо различимы квадратики белого цвета. Для самих же пластин характерна поверхность однородного синего цвета. Солнечным панелям монокристаллическим большой площади необходимы поворотные устройства, которые бы поворачивали конструкцию вслед за движущимся солнцем, стараясь, чтобы на лучи падали на пластину максимально близко к прямому углу. Период их эксплуатации достигает 25 и более лет.
ФЭП на основе поликристаллической пластины из кремния представлена на рис 2.3.
Рис.2.3. ФЭП на основе поликристаллического кремния
Наибольшее распространение на сегодняшний день получили модули, изготовленные на основе фотоэлектрических поликристаллических элементов. Востребованность данного типа альтернативных энергоресурсов объясняется наиболее оптимальным соотношением стоимости изделия и количества получаемой с его помощью энергии. Данную разновидность можно определить по синему цвету и кристаллической структуре образующих деталей, а установка модулей не составит особого труда. Поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму. Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого