Солнечные элементы представляют собой полупроводниковые приборы, предназначенные для прямого преобразования энергии электромагнитного излучения Солнца в электрическую энергию. Принцип их действия основан на фотоэлектрических явлениях в полупроводниках, прежде всего на внутреннем фотоэффекте, при котором падающий фотон возбуждает электрон из валентной зоны в зону проводимости, создавая пару «электрон–дырка».
Типичный солнечный элемент изготавливается на основе p-n-перехода. В наиболее распространённом случае это монокристаллический или поликристаллический кремний, легированный акцепторными и донорными примесями.
На границе этих областей формируется область пространственного заряда, где существует внутреннее электрическое поле. Оно играет ключевую роль в разделении фотогенерированных носителей заряда и препятствует их рекомбинации.
Помимо кремния, применяются и другие материалы: арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe), сульфид меди-индия-галлия (CIGS). Выбор материала определяется требуемым диапазоном поглощения, стоимостью и условиями эксплуатации.
При поглощении фотона с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны Eg, в полупроводнике формируется пара «электрон–дырка». Внутреннее поле p-n-перехода разделяет носители: электроны уходят в область n-типа, а дырки — в область p-типа. В результате возникает фото-ЭДС.
Ключевые процессы:
Спектр солнечного излучения близок к спектру абсолютно чёрного тела с температурой около 6000 K. Для эффективного преобразования необходимо, чтобы ширина запрещённой зоны материала была в пределах 1, 1–1, 6 эВ.
Кремний с Eg ≈ 1, 1эВ является близким к оптимальному варианту.
Ток солнечного элемента описывается уравнением:
$$ I = I_{\text{ф}} - I_0 \left( e^{\frac{qU}{kT}} - 1 \right), $$
где
Кривая тока и напряжения имеет характерный нелинейный вид, где выделяются:
Коэффициент полезного действия определяется как:
$$ \eta = \frac{P_{\text{выход}}}{P_{\text{вход}}}, $$
где Pвход — поток солнечной энергии, а Pвыход — максимальная электрическая мощность, снимаемая с элемента.
Основные факторы, влияющие на КПД:
Для кремниевых элементов типичный КПД находится в пределах 15–22%, для арсенида галлия — до 30%. Лабораторные мультипереходные элементы достигают КПД более 45%.
Для повышения эффективности используются структуры с несколькими p-n-переходами, выполненными из различных полупроводников с разными ширинами запрещённой зоны.
Таким образом удаётся максимально использовать спектр солнечного излучения.
Снижение отражательных потерь достигается путём нанесения просветляющих покрытий (например, слоёв оксидов). Применяется также текстурирование поверхности для увеличения вероятности поглощения света.
Металлические контакты выполняются в виде тонких решёток, чтобы минимизировать затенение активной области. Задняя сторона элемента часто снабжается отражающим слоем для повторного использования непоглощённых фотонов.
Для уменьшения стоимости и массы элементов используются технологии тонкоплёночных структур. Они позволяют снизить расход дорогого полупроводникового материала и изготавливать гибкие солнечные батареи.
Примеры тонкоплёночных технологий:
Тонкоплёночные элементы уступают по КПД монокристаллическим кремниевым, но выигрывают по цене и технологичности.
Со временем фотоэлементы теряют часть своей эффективности вследствие:
Поэтому в практических установках учитывается срок службы, обычно составляющий 20–30 лет.