Polovodičové fotovoltaické měniče energie (fotočlánky)

Parametry fotočlánků, stejně jako polovodičových fotodetektorů, zahrnují citlivost, kvantový výnos (kvantovou účinnost), šum, minimální detekovatelný výkon záření (prahový tok), detekovatelnost, temný proud, časovou konstantu a odpor. Provozní a konstrukční parametry: maximální přípustný ztrátový výkon, nestabilita citlivosti a tempového proudu v čase, teplotní koeficient citlivosti atd.

Mezi hlavní charakteristiky fotočlánků patří: spektrální, voltampérové, energie, frekvence a teplota.

Charakteristika proud-napětí (voltampérová charakteristika) /_ф = f(U_a). I-V charakteristika fotočlánků se nazývá závislost fotoproudu /_ф od anodového napětí U_B při konstantním světelném toku Ф = konst. Typická I-V charakteristika fotobuňky je znázorněna na Obr. 16.42. Pro malé hodnoty U_a (spiknutí I na Obr. 16.42) zařízení implementuje režim prostorového náboje (viz kapitola 11), tj. na povrchu katody se vlivem fotoemise vytvoří oblast záporného prostorového náboje a ne všechny elektrony se dostanou k anodě (proud je omezen polem záporného prostorového náboje a je určen zákonem tří polovin). Jak se zvyšuje U_a rostoucí počet elektronů z oblasti prostorového náboje má možnost jít k anodě, proud se zvyšuje a hustota prostorového náboje klesá. Některé z elektronů dopadnou na povrch válce a způsobí emisi sekundárních elektronů s koeficientem a < 1.

Pozemek II na Obr. 16.42 odpovídá módu, ve kterém není v blízkosti katody žádný prostorový náboj a všechny jsou emitovány

Obr. 16.42

Koncentrované elektrony se dostanou k anodě (režim nasycení). Zvýšení intenzity světelného toku způsobí podle Stoletova zákona zvýšení emisního proudu a hodnota saturačního proudu bude větší. Hodnota napětí odpovídající začátku oblasti nasycení je dána konstrukcí zařízení a roste s rostoucí intenzitou světelného toku v důsledku nárůstu hustoty prostorového náboje na povrchu fotokatody.

Energetické (světelné) charakteristiky /_ф = /(F). Energetické (neboli světelné) charakteristiky se nazývají fotoproudové závislosti If od intenzity světelného toku F při konstantním anodovém napětí t/_a. Tyto charakteristiky jsou lineární v širokém rozsahu změny Ф (obr. 16.43), který je určen Stoletovovým zákonem, podle kterého fotoproud /_ф úměrné intenzitě světelného toku. Odchylka od linearity při velkých hodnotách Ф je způsobena vlivem prostorového náboje (od U_a = konst) a únava fotokatody, která je spojena s fyzikálními a chemickými procesy probíhajícími ve fotokatodě pod vlivem iontového bombardování a interakce se zbytkovými plyny atd.

Velikost únavy se určuje jako poměr

kde 5_/n — počáteční (při absenci únavy) citlivost na proud; — proudová citlivost v přítomnosti únavy, když dojde ke stabilizaci parametrů souvisejících s proudem.

Relativní pokles proudové citlivosti před tím, než dojde ke stabilizaci, je určen při nezměněném anodovém potenciálu a světelném toku.

Při Ф = 0 fotoproud /_ф mírně odlišné od nuly. Vzniká temný proud způsobený termionickou emisí elektronů z fotokatody při pokojové teplotě a svodovými (vodivými) proudy sklem baňky.

V přítomnosti zátěže (odpor H) v obvodu fotobuňky se může světelná charakteristika také výrazně lišit od lineární, zejména

Obr. 16.43

zejména pokud zatěžovací čára protíná I-V charakteristiku ve velkém Ф v oblasti odpovídající režimu omezení proudu prostorovým nábojem (úsek / např. při Я = na obr. 16.42).

Frekvenční charakteristiky = C/(/). Frekvenční charakteristiky fotočlánků jsou závislostí jejich citlivosti na frekvenci změny (modulace) intenzity světelného toku působícího na fotokatodu.

Frekvenční charakteristiky jsou určeny setrvačností fotočlánků. Na Obr. 16.44 ukazuje frekvenční charakteristiky fotobuňky s masivní fotokatodou (křivka!) a pulzní fotobuňkou (křivka 2). Snížení citlivosti při vysokých frekvencích modulace intenzity světla je spojeno s dobou, po kterou elektrony přejdou od katody k anodě, a vysvětluje se přechodnými procesy (relaxační dobou) v elektrickém obvodu, ve kterém je fotočlánek zahrnut. U běžných (nepulzních) průmyslových vakuových fotobuněk je doba letu t_пр je ~ 10″ 8 . 10“® s a mezielektrodová kapacita C ~ 10 pF, pro pulzní fotobuňky t_пр ~ 10 10 . 10 s, C ~ 11 pF. Sériové konvenční vakuové fotobuňky mají frekvenční rozsah do 3 g> Hz a pulsní – do 4° Hz.

Spektrální charakteristiky 5_ф(A.) = /(A.). Spektrální charakteristiky fotočlánků se nazývají závislost monochromatické citlivosti na vlnové délce X (neboli frekvence) elektromagnetického záření působícího na fotokatodu vakuové fotobuňky.

Spektrální charakteristiky pro fotokatody antimon-cesium (!) a kyslík-cesium (2) jsou na Obr. 16.45:XNUMX. Tyto

Obr. 16.44

Obr. 16.45

Charakteristiky jsou určeny především elektrofyzikálními parametry polovodičových materiálů, ze kterých jsou fotokatody vyrobeny. Fyzikální procesy, které určují průběh uvažovaných charakteristik, jsou zcela analogické jevům vyskytujícím se v polovodičových fotoelektrických zařízeních (viz část 16.4). Strukturální vlastnosti také ovlivňují povahu závislosti = /“(A.); Mezi ně patří především tloušťka fotokatody, materiál substrátu a fyzikální vlastnosti okénka (skla) fotodetektoru.

Kromě popsaných antimon-cesiových a kyslík-cesiových fotokatod se ve fotočláncích používají multialkalické fotokatody tvořené sloučeninami antimonu s atomy draslíku, sodíku a cesia č.₂K8Ь (so). Maximální citlivosti fotokatody je dosaženo, když je poměr sodíku k draslíku přibližně dva a obsah cesia je mnohem menší než draslík.

Uvažované parametry a charakteristiky fotočlánků podléhají změnám vlivem teploty, což se obvykle projevuje v podobě závislosti parametrů fotokatody na teplotě nebo teplotních koeficientech.

Fotobuňky jsou elektronická zařízení určená k přeměně fotonové energie na energii elektrického proudu, tj. fotobuňky nebo solární články přeměňují sluneční světlo přímo na elektřinu.

Historicky byl vynalezen první prototyp moderní fotobuňky Alexandr Grigorjevič Stoletov na konci 19. století. Vytvořil zařízení, které fungovalo na principu vnějšího fotoelektrického jevu. První experimentální uspořádání sestávalo z dvojice rovnoběžných plochých kovových plátů, z nichž jeden byl vyroben ze síťoviny pro průchod světla a druhý z pevného materiálu.

Plechy byly napájeny konstantním napětím, které bylo možné nastavit v rozsahu od 0 do 250 voltů. Kladný pól zdroje napětí byl připojen k síťové elektrodě a záporný pól k pevné elektrodě. Do obvodu byl zařazen i citlivý galvanometr.

Když byl pevný plech osvětlen světlem elektrického oblouku, ručička galvanometru se vychýlila, což signalizovalo, že v obvodu byl generován stejnosměrný proud, přestože mezi disky byl vzduch. V experimentu vědec zjistil, že velikost „fotoproudu“ závisí jak na použitém napětí, tak na intenzitě světla.

Aby se nastavení zkomplikovalo, Stoletov umístil elektrody do válce, ze kterého byl odčerpáván vzduch a ultrafialové světlo bylo přiváděno k citlivé elektrodě přes křemenné okénko. Tak to bylo objeveno fotografický efekt.

Dnes se tento efekt používá jako základ pro práci fotovoltaické měniče. Reagují na elektromagnetické záření dopadající na povrch prvku a převádějí ho na výstupní napětí. Příkladem takového převodníku je solární článek. Fungují na stejném principu senzory citlivé na světlo.

Typický solární článek se skládá z vrstvy fotocitlivého materiálu s vysokým odporem vložené mezi dvě vodivé elektrody. Fotovoltaickým materiálem používaným pro solární články je obvykle polovodič, který je při plném osvětlení schopen produkovat výkon 0,5 voltu.

Takové prvky jsou z hlediska generované energie nejúčinnější, protože umožňují přímý, jednostupňový přechod fotonové energie na elektrický proud. Za normálních podmínek je pro takové prvky normou účinnost 28 %.

K intenzivnímu fotoelektrickému jevu zde dochází díky heterogenitě polovodičové struktury pracovního materiálu. Této heterogenity se dosáhne buď dopováním použité polovodičové látky různými nečistotami, čímž vznikne pn přechod, nebo spojením polovodičů s různou velikostí zakázaných pásem (energií, při kterých elektrony opouštějí své atomy) – tak se získá heteropřechod, nebo zvolením takového chemického složení polovodiče, aby se uvnitř šířky zakázaného pásu objevil gradient – zakázané struktury. V konečném důsledku závisí účinnost prvku na charakteristikách heterogenity získané v rámci konkrétní polovodičové struktury a také na fotovodivosti.

Pro snížení ztrát v solárních článcích se při jejich výrobě používá řada opatření.

Nejprve se používají polovodiče, jejichž zakázané pásmo je optimální pro sluneční světlo, jako jsou sloučeniny arsenidu křemíku a galia.

Za druhé jsou vlastnosti struktury zlepšeny optimálním legováním. Přednost se dává heterogenním strukturám a strukturám s odstupňovanou mezerou. Je zvolena optimální tloušťka vrstvy, hloubka pn přechodu a nejlepší parametry kontaktní mřížky.

Vznikají také kaskádové prvky, kde funguje více polovodičů s různou šířkou pásma, takže po průchodu jednou kaskádou se světlo dostane do další atd. Slibně se jeví myšlenka rozkladu slunečního spektra tak, aby každá oblast byla transformována samostatnou sekcí fotobuňky.

V současnosti jsou na trhu tři hlavní typy fotovoltaických článků: monokrystalický křemík, polykrystalický křemík a tenkovrstvý. Tenkovrstvé jsou považovány za nejslibnější, protože jsou citlivé i na rozptýlené světlo, lze je umístit na zakřivené povrchy, nejsou tak křehké jako silikonové a jsou účinné i při vysokých provozních teplotách.

Kromě polovodičových materiálů se solární články skládají ze dvou kovových mřížek nebo elektrických kontaktů. Jeden je umístěn nad polovodičovým materiálem a druhý je umístěn pod ním.

Při výrobě solárních článků se používá celá řada materiálů, včetně materiálů běžně používaných komerčně (jako je hliník a sklo), chemikálií běžně používaných v polovodičovém průmyslu (jako je silan a kyselina fluorovodíková) a některých chemikálií jedinečných pro fotovoltaický průmysl, jako je selenid mědi a india (CIS) a telurid kadmia (CdTe).

Solární články jsou sestaveny do plochých systémů, které lze instalovat na střechy nebo jiná slunná místa. Vyrábějí elektřinu bez pohyblivých částí, pracují tiše, neprodukují žádné škodlivé emise a vyžadují minimální údržbu.

Fotovoltaické články se v posledních desetiletích rychle rozvíjely díky jejich výhodám čistého a nákladově efektivního sběru solární energie.

V současné době se vyvíjí úsilí o zlepšení účinnosti fotovoltaických článků a také o snížení investičních nákladů. Značná pozornost je také věnována plně integrovaným stavebním solárním článkům, kde jsou solární články alternativou k jiným stavebním materiálům.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře