5.3.3.  Основные характеристики и параметры

Режиму работы фотоэлемента (режиму генерации фото-ЭДС) при разных освещенностях или световых потоках соответствуют части вольт-амперной характеристики, расположенные в четвертом квадранте (рис. 5.14). Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС или напряже­ниям холостого хода при разных освещен­ностях. У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0,5 – 0,55 В.

Рис. 5.13. Структура крем­ниевого

фотоэлемента, изго­товленного

методом диффу­зии примесей

 Рис. 5.14. ВАХ фотоэлемента при различных световых потоках, падающих на фотоэлемент

Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят от площади выпрямляющего электрического перехода фотоэлемента. Поэтому сравнивают и оцени­вают фотоэлементы по плотностям тока ко­роткого замыкания. У кремниевых фотоэле­ментов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным све­том составляет 20..25 мА/см2. Заметим, что средняя интен­сивность солнечной радиации в течение года для южных широт составляет 250 Вт/м2, а ее пиковое значение на широте тропиков – 1200 Вт/м2.

Рис. 5.15. Световые характеристики фотоэлемента при различных сопротивлениях нагрузки (а) и напряжение холостого хода в зависимости от светового потока (б)

По ВАХ при разных освещенностях фо­тоэлемента можно выбрать оптимальный ре­жим работы фотоэлемента, т.е. оптималь­ное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке выделяется наибольшая мощность. Оптимальному ре­жиму работы фотоэлемента соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на ВАХ при данной освещенности (см. рис. 5.14).

Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение на нагрузке 0,35 – 0,4 В, плотность тока через фото­элемент 15 – 20 мА/см2.

Световые характеристики фотоэлемента – это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания от светового потока или от освещенности фотоэлемента (рис.5.15, а). Сублинейность све­товых характеристик связана с умень­шением высоты потенциального барь­ера при накоплении избыточного за­ряда электронов в n-области и дырок в p-области.

Напряжение холостого хода возрастает с ростом светового потока по зависимости, близкой к логарифмической, стремясь к контактной разности потенциалов, электрическое поле которой и разделяет неравновесные фотоносители (рис. 5.15, б).

Спектральная характеристика фо­тоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света. Спектральные ха­рактеристики фотоэлементов анало­гичны спектральным характеристикам фотодиодов, изготовленных на основе того же полупроводника. Максимум спектральной характеристики крем­ниевых фотоэлементов почти соответ­ствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света. Именно поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Схемы фотоэлектрических энергоустано­вок с концентраторами

 солнечного излучения: а – в виде зеркал; б – в виде линз Френеля: 1 –холодильник;

2 – фотоэлемент; 3 – зеркало-концентратор; 4 – линза Френеля

Коэффициент полезного действия фотоэлемента – это отно­шение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

.

При преобразовании солнечного света в элек­трическую энергию КПД кремниевых фотоэлементов не превыша­ет 12 %. Однако его можно существенно повысить, используя в качестве исходного полупроводника теллурид кадмия, арсенид галлия и другие материалы с несколько большей шириной запре­щенной зоны, чем у кремния, а также используя фотоэлементы на основе гетеропереходов.

Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости «солнечной» электроэнергии являются:

· получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликри­
сталлического кремния;

· разработка дешевых тон­копленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов;

· осуществление преобразования концентрирован­ного солнечного излучения с помощью высокоэф­фективных элементов на основе кремния и отно­сительно нового полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк.

На рис. 5.16 показаны две принципиальные схемы фотоэлектрических установок с концентра­торами солнечного излучения. Линза Френеля (рис. 5.16, б) пред­ставляет собой выполненную из органического стекла пластину толщиной 1 – 3 мм, одна сторона которой является плоской, а на другой образован профиль в виде кон­центрических колец, повторяющий профиль выпук­лой линзы. Линзы Френеля существенно дешевле обычных выпуклых линз и обеспечивают при этом степень концентрирования в 2 – 3 тысячи раз.

В последние годы в мире достигнут значитель­ный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентри­рованном солнечном облучении. Созданы кремни­евые элементы с КПД > 25 % в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 – 50 крат. Значительно большие степени кон­центрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий-гал­лий-мышьяк. В та­ких солнечных элементах достигаются значения КПД больше 25 % при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой элект­роэнергии

не оказывается определяющим при вы­соких степенях концентрирования солнечного из­лучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади.

В на­стоящее время разрабатываются каскадные солнечные элементы, которые позволяют достичь существен­ного увеличения КПД. В каскадном солнечном эле­менте солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фото­элементов, выполненных на основе различных ма­териалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двух­элементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40 %.