Солнечные преобразователи.

Фотогальванический эффект используется в полупроводниковых фотоэлементах для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. Их основное применение – для преобразования солнечной энергии. В преобразователях с p-n-переходом применяются кремний и арсенид галлия, но предпочтение отдано кремнию.

На рис.7.9 приведены ВАХ солнечных преобразователей с площадью p-n-перехода S=1см² при плотности мощности P_пд=0,2 Вт/см² и Т=20^оС. Они соответствуют четвертому квадранту ВАХ освещенного p-n-перехода. Преобразователь на основе GaAs имеет большее значение фото-ЭДС (вследствие большей ширины запрещенной зоны) но меньший ток короткого замыкания. Диффузионная длина неосновных носителей в кремнии больше, чем в арсениде галлия, поэтому выше квантовый выход h_ф и ток I_кз. Предельный расчетный КПД кремниевого преобразователя 23% получен без учета потерь при h_ф=1. Реальные КПД кремниевых преобразователей 14-18%, арсенид-галлиевых – 11%.

При подключении нагрузки ток I_н и напряжение U_н во внешней цепи определяются точкой пересечения ВАХ и линии нагрузки (рис.7.10). Площадь прямоугольника I_нU_н пропорциональна мощности, отдаваемой преобразователем в нагрузку; при оптимальном сопротивлении нагрузки достигается максимальная мощность.

На рис.7.10 показана структура кремниевого преобразователя: 1 – фронтальный металлический электрод на освещаемой поверхности; 2 – тыльный металлический электрод, полностью покрывающий поверхность кристалла с неосвещаемой стороны; 3 – просветляющее покрытие из монооксида кремния SiO. Чтобы не затенять освещаемую поверхность, ширина фронтального электрода не превышает 1мм.

В эквивалентной схеме (рис.7.11) генератор тока I_ф моделирует фототок, диод VD – диффузионный ток p-n-перехода, резистор R_у имитирует сопротивление утечки p-n-перехода, резистор r_s – потери в объеме p- и n-областей и контактах металл-полупроводник. Омические потери в резисторах R_у и r_s уменьшают выходную мощность и КПД преобразователя и предпринимаются специальные меры для уменьшения их влияния.

Отдельные элементы соединяются в солнечные батареи. Кремниевые преобразователи позволяют получать мощность до 100 Вт с квадратного метра площади при удельной мощности 50 Вт/кг.