Как работают фотоэлементы

Введение

Вы наверняка видели калькуляторы, которые работают на фотоэлементах (солнечных батареях) – калькуляторы, которым не нужны электрические элементы питания и у которых в некоторых случаях нет даже кнопки выключения. До тех пор, пока у вас есть достаточное количество освещения, они могут работать бесконечно. Возможно, вы видели солнечные батареи покрупнее – на дорожных знаках, извещающих о чрезвычайной ситуации, телефонных автоматах, буйках, даже на стоянках, в качестве источника света. Хотя эти панели не так распространены, как калькуляторы на солнечной энергии, их нетрудно заметить, если вы знаете, куда смотреть. Массивы фотоэлементов есть на космических спутниках, где они используются для питания электрических систем.

Вероятно, вам также знакомо выражение «солнечная революция», которое на слуху последние 20 лет – идея о том, что придет день, когда все мы будем использовать бесплатную энергию Солнца. Это заманчивое обещание: в яркий, солнечный день Солнце отдает примерно 1000 ватт энергии на квадратный метр земной поверхности, и если бы мы смогли собрать всю эту энергию, то мы бы запросто смогли обеспечить бесплатной энергией наши дома и офисы.

В этой статье мы изучим, каким образом фотоэлементы преобразуют солнечную энергию прямо в электрическую. В процессе изучения вы поймете, почему использование солнечной энергии в повседневной жизни становится все ближе и ближе, и почему нам все еще необходимы исследовательские работы, прежде чем этот процесс станет стоящим.

Фотоэлектрические элементы: преобразование фотонов в электроны

Фотоэлементы, которые вы видите в калькуляторах и на спутниках, являются фотоэлектрическими элементами или модулями (модули – просто группа элементов, электрически соединенных и размещенных в одном каркасе). Фотоэлектричество, как слово, подразумевает преобразование солнечного света прямо в электричество. Начиная с почти исключительного использования в космосе, фотоэлектрические элементы все больше и больше используются в менее экзотических сферах человеческой жизни. Они могли бы даже снабдить энергией ваш дом. Как же работают эти устройства?

Фотоэлектрические (ФЭ) элементы изготовлены из специальных материалов под названием полупроводники (semiconductors), таких как кремний, который в настоящий момент чаще всего обычно и используется. По существу, когда свет попадает на фотоэлемент, определенная его часть поглощается материалом полупроводника. Это означает, что энергия поглощенного света передается полупроводнику. Эта энергия освобождает электроны, позволяя им течь свободно. У всех фотоэлементов также есть одно или несколько электрических полей, которые заставляют электроны, освобожденные световым поглощением (абсорбцией), течь в определенном направлении. Это течение электронов и представляет собой ток, и при помощи установленных сверху и снизу металлических контактов фотоэлементов мы можем извлечь этот ток для внешнего использования. Например, этот ток может питать калькулятор. Этот ток, вкупе с напряжением элемента (которое является результатом его внутреннего поля или полей) определяет энергию (или мощность), которую фотоэлемент может выработать.

Это описание процесса преобразования вкратце, описание основ. Давайте взглянем на него более детально на примере однокристального кремниевого фотоэлемента.

Как из кремния получается фотоэлемент

У кремния есть несколько специальных химических свойств, особенно в его кристаллической форме. У атома кремния 14 электронов, размещенных в трех различных оболочках. Первые две оболочки, ближайшие к центру, полностью заполнены. Внешняя оболочка, однако, заполнена только наполовину, и имеет только четыре электрона. Атом кремния все время стремится заполнить эту последнюю оболочку (которая стремится иметь восемь электронов). Чтобы сделать это, он разделяет электроны с четырьмя своими соседними атомами кремния, т.е. как будто каждый атом держит за руки своего соседа, за исключением того, что в этом случае каждый атом имеет четыре руки, соединенными с четырьмя соседними. Вот что формирует кристаллическую структуру, и эта структура является важным моментом для этого типа фотоэлементов.

Нами был описан чистый, кристаллический кремний. Чисты кремний является плохим проводником электричества из-за отсутствия свободных электронов, которые могли бы перемещаться, подобных электронам в хорошем проводнике, каковым является, к примеру, медь. Кроме того, все его электроны заперты в его кристаллической решетке. Кремний в фотоэлементе слегка модифицируется для того, чтобы работать как фотоэлемент.

В фотоэлементе применяется кремний с примесями – другие атомы перемешаны с атомами кремния, немного изменяя принцип его действия. Обычно мы думаем о примесях как о чем-то нежелательном, но в данном случае наш элемент не смог бы работать без них. Эти примеси действительно добавляются для определенной цели. Возьмем кремний с разбросанным атомом фосфора, возможно одним атомом на каждый миллион атомов кремния. У фосфора пять электронов в его внешнем каркасе, не четыре. Они тем не менее связаны со своими соседними атомами кремния, но смысл в том, что один его электрон «не держится за руку». Он не образует часть связи, но есть положительный протон в ядре фосфора, замещающий его.

Когда энергия попадает в чистый кремний, к примеру, в форме тепла, она может заставить несколько электронов освободиться от их связей и покинуть свои атомы. В каждом таком случае на этом месте образуется дыра. Эти электроны потом хаотично блуждают по кристаллической решетке в поисках другой дыры, чтобы попасть в нее. Эти электроны называются свободными носителями, и могут передавать электрический ток. Их так мало в чистом кремнии и, тем не менее, они не приносят пользы. Наш нечистый кремний с перемешанными в нем атомами кремния – совсем другое дело. Оказывается, требуется намного меньше энергии, чтобы выбить один из наших «лишних» электронов фосфора, так как они не связаны узами – их соседи не удерживают их. В результате большинство из этих электронов освобождаются, и мы имеем намного больше свободных носителей, чем имели бы в чистом кремнии. Процесс добавления примесей с определенной целью называется легированием, и когда кремний легируют фосфором, то в результате его называют N-типом (N-type, N образуется от negative — отрицательный), из-за распространения свободных электронов. Легированный кремний N-типа является намного лучшим проводником, чем чистый кремний.

На самом деле только одна часть наших фотоэлементов является N-типом. Другая часть легируется бором, у которого только три электрона в его внешнем каркасе вместо четырех, чтобы стать P-типом кремния (P-type, P образовано от positive – положительный). Вместо имеющихся трех электронов, кремний P-типа имеет три дыры. Дыры в действительности всего лишь отсутствие электронов, поэтому они переносят противоположный (положительный) заряд. Они путешествуют так же, как и электроны.

Самое интересное начинается тогда, когда начинают сравнивать кремний N-типа и P-типа. Вспомним, то каждый фотоэлемент имеет, по крайней мере, одно электрическое поле. Без электрического поля фотоэлемент не смог бы работать, и это поле образуется тогда, когда кремний N-типа контактирует P-типом. Все свободные электроны на N-стороне, которые искали дыры, чтобы занять их, обнаруживают все свободные дыры на P-стороне, и бешено спешат занять их.

Анатомия фотоэлемента

Раньше наш кремний весь был электрически нейтральным. Наши лишние электроны были уравновешены лишними протонами фосфора. Наши недостающие электроны (дыры) были уравновешены недостающими протонами бора. Когда дыры и электроны смешиваются в соединении между кремнием N- и P-типов, то этот нейтралитет нарушается. Все свободные электроны заполняют все свободные дыры? Нет. Если бы так произошло, то такое размещение не было бы очень успешным. Прямо в соединении, тем не менее, они смешиваются и образуют барьер, усложняющий переход электронов на N-стороне к P-стороне. В конечном счете равновесие достигается, и у нас появляется электрическое поле, разделяющее эти две стороны.

Это электрическое поле действует как диод, позволяя (или даже подталкивая) электроны течь от P-стороны к N-стороне, но не обратно. Это как холм – электроны легко могут катиться к низу холма (к N-стороне), но не могут подняться по нему (к P-стороне).

Итак, мы имеем электрическое поле, действующее как диод, в котором электроны могут перемещаться только в одном направлении.

Когда свет, в форме фотонов, попадает на наш фотоэлемент, то его энергия освобождает пары электрон-дыра.

Каждый фотон, имеющий достаточно энергии, обычно освобождает точно один электрон, в результате также появляется свободная дыра. Если это происходит достаточно близко от электрического поля, или если свободный электрон или свободная дыра случайно попадает в зону его действия, то поле отправит электрон на N-сторону, а дыру на P-сторону. Это является дополнительной причиной нарушения электрического нейтралитета, и если мы предоставим внешний путь для тока, то электроны потекут по нему к своей родной стороне (P-стороне), чтобы соединиться с дырами, которые отправило туда электрическое поле, делая свое дело через этот путь. Течение электронов создает ток, и электрическое поле фотоэлемента является причиной напряжения. При помощи тока и напряжения мы получаем энергию, которую они вырабатывают.

Осталось еще несколько шагов, прежде чем мы сможем использовать наш фотоэлемент. Кремний очень блестящий материал, что означает, что он очень отражающий. Отраженные фотоны не могут быть использованы в фотоэлементе. По этой причине на верхний слой фотоэлемента нанесено антиотражающее покрытие, чтобы сократить потери от отражения не менее чем на 5%.

Последним шагом является стеклянная закрывающая пластина, которая защищает фотоэлемент от воздействия внешней среды. Фотоэлектрические модули изготавливаются соединением нескольких элементов (обычно 36) последовательно и параллельно, чтобы достичь необходимого уровня напряжения и тока, и помещением их в надежный каркас, укомплектованный стеклянной крышкой и положительной и отрицательной клеммами на задней стороне.

Сколько же солнечной энергии поглощают наши фотоэлементы? К сожалению, самое большее, что наш простой фотоэлемент может поглотить — около 25%, а еще вероятней 15% или меньше. Почему так мало?

Потери энергии в фотоэлементе

Видимый свет это всего лишь часть электромагнитного спектра. Электромагнитное излучение не является монохроматическим — оно образовано гаммой волн различной длины, а, следовательно, энергетических уровней.

Свет может быть разделен на волны различной длины, и мы можем видеть их в форме радуги. Так как у света, который попадает в наш фотоэлемент, есть фотоны широкого диапазона энергий, оказывается, что у некоторых из них не будет достаточного количества энергии, чтобы образовать пару электрон-дыра. Они просто пройдут через элемент, как если бы были прозрачными. Но есть другие фотоны, у которых слишком много энергии. Только определенное количество энергии, измеренное в электрон-вольтах (eV) и определяемое нашим материалом (около 1,1 eV для кристалла кремния) требуется, чтобы сделать электрон свободным. Оно называется энергией ионизации материала. Если у фотона больше энергии, чем требуемое количество, то излишки энергии теряются (если фотон не имеет вдвое больше энергии, чем требуется, и не может создать больше, чем одну пару электрон-дыра, но этот эффект незначителен). В результате одних лишь этих двух причин происходит потеря около 70% лучистой энергии нашего элемента.

Почему же мы не можем выбрать материал с действительно низкой ионизацией, чтобы использовать большее количество фотонов? К сожалению, наша ионизация также определяет силу (напряжение) нашего электрического поля, и если она слишком низкая, то за то, что мы получим дополнительный ток (за счет поглощения большего количества фотонов), мы потеряем небольшое количество напряжения. Вспомним, что энергия есть напряжение, умноженное на ток. Оптимальная ионизация, сбалансированная между двумя этими показателями, около 1,4 eV для фотоэлемента, изготовленного из отдельно взятого материала.

Также у нас есть и другие потери. Наши электроны вынуждены течь от одной стороны фотоэлемента до другой через внешнюю цепь. Мы можем покрыть нижнюю часть металлическим покрытием, обеспечив хорошую электропроводность, но если мы полностью покроем верхнюю часть, то фотоны не смогут пройти сквозь непрозрачный проводник и мы потеряем весь наш ток (в некоторых фотоэлементах на верхней части используются прозрачные проводники, но не во всех). Если мы вставим наши контакты только с боков нашего элемента, то электронам придется путешествовать на чрезвычайно длинное (для электрона) расстояние, чтобы достичь контакта. Помните, что кремний – полупроводник, он отнюдь не так хорошо проводит ток, как металл. Его внутренне сопротивление (называемое последовательным сопротивлением) довольно высоко, а высокое сопротивление означает и высокие потери. Чтобы уменьшить эти потери, наш фотоэлемент покрывают сеткой металлических контактов, которая укорачивает дистанцию, которую электронам приходится преодолевать, покрывающая только небольшую часть поверхности элемента. И даже в этом случае некоторые фотоны блокируются этой сеткой, которая не может быть слишком маленькой или иначе ее собственное сопротивление будет слишком большим.

Заключение

Мы рассмотрели только основы работы фотоэлементов, так сказать базовые принципы. Надеемся, что эта статья помогла вам понять, каким же образом световая энергия может преобразовываться в электрическую.

13 апреля 2009
Раздел: Статьи

Связной

Комментарии

3 комментария к "Как работают фотоэлементы"

  1. Максим Лёвин - Вт, 27 Дек 2011 18:50 

    статья хорошая для понимания новичкам и на радость специалистам 🙂
    замените же свои «дыры» на научный термин «дырки»!!!

  2. Veronika - Чт, 10 Мар 2016 11:54 

    Интересная статья, спасибо за информацию. Фотоэлементы — важнейшая часть современной фотографической жизни.

  3. Veronika - Чт, 10 Мар 2016 12:00 

    Даже хочется продолжения статьи.

Есть мнение о написанном в статье? Напишите свой комментарий!