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 %.