Фотовольтаический эффект

Фотовольтаический эффект представляет собой генерацию электрического напряжения и тока в полупроводниковом материале при его освещении электромагнитным излучением, главным образом в области видимого и ближнего инфракрасного диапазона. В основе явления лежит процесс преобразования энергии фотонов в энергию носителей заряда – электронов и дырок. Когда фотон с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны Eg, поглощается кристаллом, он возбуждает электрон из валентной зоны в зону проводимости, оставляя после себя дырку.

Ключевым моментом фотовольтаического эффекта является разделение сгенерированных электронно-дырочных пар и их пространственное разделение в структуре, обеспечивающее появление измеряемой электродвижущей силы (ЭДС).

Процесс генерации носителей

  1. Поглощение фотона

    • Условие возникновения эффекта: ℏω ≥ Eg.
    • При поглощении фотона электрон переходит в зону проводимости, формируя свободный носитель заряда.

  2. Формирование электронно-дырочных пар

    • Каждое поглощение фотона с достаточной энергией приводит к образованию пары электрон–дырка.
    • Концентрация пар прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения.

  3. Рекомбинационные процессы

    • Радиационная рекомбинация (с испусканием фотона).
    • Безызлучательная рекомбинация (через дефекты, фононы).
    • Скорость рекомбинации определяет квантовый выход эффекта.

Механизм разделения носителей

Чтобы возникла ЭДС, необходимо пространственное разделение электронов и дырок. В полупроводниках это достигается благодаря внутреннему электрическому полю, возникающему в результате:

  • p-n-перехода – наиболее распространённая структура, где в области пространственного заряда существует внутреннее электрическое поле, способствующее разделению носителей.
  • гетеропереходов – стык различных полупроводников с отличающимися ширинами запрещённой зоны.
  • барьеров Шоттки – контакт металл–полупроводник, формирующий выпрямляющий барьер.

Электрическое поле в области перехода препятствует рекомбинации и заставляет электроны и дырки двигаться в противоположных направлениях, формируя фототок.

Ток–напряжённая характеристика

Фотовольтаический элемент описывается уравнением:

$$ I = I_{ph} - I_0 \left( e^{\frac{qV}{kT}} - 1 \right), $$

где:

  • Iph – фототок, пропорциональный интенсивности освещения,
  • I0 – ток насыщения,
  • q – заряд электрона,
  • V – приложенное напряжение,
  • kT – тепловая энергия.

На кривой I(V) выделяют:

  • точку короткого замыкания (Isc),
  • точку холостого хода (Voc),
  • рабочую точку максимальной мощности (Pmax).

Квантовый выход и спектральные характеристики

  • Квантовый выход (QY) определяется как отношение числа собранных носителей заряда к числу падающих фотонов.
  • Внешний квантовый выход (EQE) учитывает потери на отражение и непоглощение света.
  • Спектральная зависимость выхода повторяет спектр коэффициента поглощения полупроводника.

Максимальная эффективность достигается, когда энергия фотона близка к ширине запрещённой зоны. Слишком высокоэнергетические фотоны теряют часть энергии в виде тепла при релаксации носителей.

Материалы для фотовольтаики

  • Кремний (Si) – основной материал, обладающий шириной запрещённой зоны Eg ≈ 1.1 эВ.
  • Соединения III–V (GaAs, InP, GaP) – высокоэффективные материалы с возможностью создания многопереходных элементов.
  • Кадмий-теллур (CdTe) и медь-индий-галлий-селенид (CIGS) – тонкоплёночные материалы.
  • Перовскиты – новые органо-неорганические материалы с высокой эффективностью при низкой стоимости производства.

Эффективность преобразования

Коэффициент полезного действия фотовольтаического элемента определяется как:

$$ \eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100\%, $$

где Pout – максимальная выходная мощность, а Pin – мощность падающего излучения.

Факторы, влияющие на эффективность:

  • ширина запрещённой зоны материала,
  • степень рекомбинационных потерь,
  • коэффициент отражения поверхности,
  • температура рабочего элемента,
  • архитектура структуры (одно- или многопереходные элементы).

Многопереходные солнечные элементы

Использование нескольких p-n-переходов с различными Eg позволяет эффективно использовать разные участки солнечного спектра. Каждый переход оптимален для своей области длин волн, что значительно повышает общий КПД. В лабораторных условиях уже достигнуты значения более 45%.

Практическое значение

Фотовольтаический эффект является фундаментом современной солнечной энергетики. На его основе создаются:

  • солнечные батареи для питания автономных систем,
  • фотоэлектрические преобразователи в космической технике,
  • датчики освещённости и фотоприёмники.

Таким образом, физика фотовольтаического эффекта представляет собой сочетание процессов оптического поглощения, генерации носителей, их рекомбинации и разделения под действием электрического поля, что позволяет напрямую преобразовывать световую энергию в электрическую.

Оглавление