Многие из нас не подозревают, что способ получения электроэнергии из солнечного света известен около 130 лет. Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839 году. Это случайное открытие оставалось незамеченным вполоть до 1873 года, когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины.
И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов.

В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фотопреобразователей. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Преобразование энергии в солнечных элементах - ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Использовать энергию солнечных элементов можно также как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Но в отличии от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света.
Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. Кроме того отклонения в технологических режимах влекут за собой разброс выходных параметров элементов одной партии.
Следовательно, желание обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей приводит к необходимости сортировки элементов по выходному току.
В качестве наглядного примера “вшивой овцы портящей все стадо” можно привести следующий: в разрыв водопроводной трубы большого диаметра врезать участок трубы с гораздо меньшим диаметром, в результате водоток резко сократится. Нечто аналогичное происходит и в цепочке из неоднородных по выходным параметрам солнечных элементов.

Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ).



Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0.6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента.
По иному обстоит дело с током.
Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.
Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший.
Нагружая элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, получив нечто подобное изображенному на рис.2



Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В.
Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В.
После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять.
Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации.
Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов.
Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим.
При нагреве элемента на один градус свыше 25оС он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/градус. На рис.3 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25 С и 60 С.



В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70 С теряя 0,07-0,09 В каждый.
Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16 %. Это значит, что элемент размером 100*100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

Стандартными условиями для паспортизации элементов во всем мире признаются следующие:
-освещенность 1000 Вт/м2
-температура 25o С
>-спектр АМ 1,5 = солнечный спектр на широте 45о.

Принципы
работы солнечных элементов

Электрический ток в солнечной батарее возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения.
Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта - перераспределения электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде, происходящего при поглощении электромагнитного излучения.
В солнечных элементах используется вентильный - барьерный фотоэффект. Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света.

Энергетические характеристики солнечных батарей определяются полупроводниковым материалом, конструктивными особенностями, количеством элементов в батарее. Распространённые материалы:
Si - кремний;
Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями: почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия CuInSe2 – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала - ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ.

Теллурид кадмия CdTe – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны - 1,44 эВ и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении.

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %.

Элемент солнечной батареи представляет собой пластинку кремния n-типа, окруженную слоем кремния р-типа толщиной около одного микрона, с контактами для присоединения к внешней цепи.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон - дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.
Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (см. рис. а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный.
Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (см. рис. б).
Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.



Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фото-ЭДС.

Генерирование электрического тока солнечным элементом

а — фотоны А и В образовали электронно-дырочные пары аа' и bb'. Электрон c и дырка с', образованные предыдущим фотоном, движутся к контактам солнечного элемента.
Электроны d, e, f и g перемещаются по внешней цепи, образуяэлектрический ток;
б — дырка, образованная фотоном А, прошла через переходи направляется к положительному контакту.
Электрон, образованный фотоном В, также прошел через переход и движется к отрицательному контакту.
Электрон с перешел из полупроводника в проводник.
Электрон g перешел в полупроводник и рекомбинировал с дыркой с'.

Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт - амперной характеристики (ВАХ):

U = (kT/q)ln((Iф-I)Is/+1),

где Is– ток насыщения, а Iф – фототок.

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iф. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а.