Фотоэлементы — применение и особенности

Так, созданные светом пары электрон — «дырка» в разных полупроводниковых веществах «живут» разное время. В веществе, в котором пары существуют очень малое время, не все из них доходят до р — п-перехода. Большая их часть погибает: электроны проводимости снова входят в состав каких-нибудь атомов. Следовательно, в этом случае основная часть падающей лучистой энергии оказывается в фотоэлектрическом смысле бесполезной: она переходит в тепло.

Приведем еще один пример. Если энергия фотонов падающего света меньше той энергии, которую нужно сообщить электрону, чтобы «перебросить» его с заполненной зоны в зону проводимости, фотоэффект не возникает. Значит, энергия излучения целиком переходит в тепло. Но ведь любой фотоэлемент работает в основном в таких условиях, когда он освещается не монохроматическим светом, а светом сложного состава. Поэтому лишь часть лучистого потока оказывается фотоэлектрически активной, другая же его часть опять-таки расходуется на нагрев полупроводника. Энергетические потери в фотоэлементе возникают и от целого ряда других причин. 

Естественно, возникает главный вопрос: как же свести до минимума эти потери? Ответ дает теория. 

Фотоэлемент необходимо создавать из такого специального полупроводникового вещества, которое обладает рядом вполне определенных электрических свойств, обеспечивающих эффективное преобразование лучистой энергии Солнца в электрическую. Оказалось, что из всех известных полупроводниковых веществ лучше всего удовлетворяет условиям, сформулированным теорией, именно кремний. Природа дала материал, в котором удачно переплетаются натуральные свойства с возможностью получения необходимых нам характеристик. Для этой цели проводят соответствующую технологическую обработку. Осуществляя достаточно хорошую степень очистки кремния, а затем легируя его соответствующими примесями, удается создавать в этом материале все те условия, которые обеспечивают сравнительно эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую.

Достаточно сказать, что в чистом кремнии время жизни фотоносителей относительно велико, а это резко снижает энергетические потери. Ширина запрещенной зоны у кремния— 1,12 электроновольта, что обеспечивает использование более значительной части светового потока, посылаемого Солнцем. Введение соответствующих примесей при определенном режиме диффузионного прогрева дает возможность создавать высококачественный р — п-переход с нужной глубиной залегания и варьировать удельную электропроводность кремния в достаточно широких пределах, обнимающих по крайней мере 7 порядков. 

Все эти, а также и другие технологические приемы в сочетании с природными свойствами кремния и обеспечили ему большой успех. 

ПЕРСПЕКТИВЫ 

Когда академик А. Ф. Иоффе говорил о той роли, которую предстоит сыграть полупроводниковым фотоэлементам в освоении энергии Солнца, он имел в виду, что физикам удастся использовать для этой цели не одно, а несколько полупроводниковых веществ. С тех пор прошло уже 30 лет, а мы в качестве исходного материала для фотоэлементов с высоким кпд пока имеем лишь кремний. Вполне законны вопросы: а нужно ли нам вообще заниматься поисками других веществ и на что мы можем при этом рассчитывать? Следует ли думать, что будут созданы полупроводниковые материалы с лучшими показателями, чем у кремния, и т. д.? 

Чтобы дать правильные ответы на все эти вопросы, надо обратиться к основным выводам теории. Она утверждает, что максимальный коэффициент полезного действия фотоэлектрического преобразователя может достигать величины в 25 процентов. При этом теория определяет совершенно конкретные требования, которым Должно удовлетворять такое вещество. Из всех положений теории вытекает, что кремний является очень хорошим, но не единственным материалом, пригодным для наших целей. С другой стороны, расчеты показывают, что существующий кпд кремниевого фотоэлемента не предел: он может быть доведен примерно до 18—20 процентов. 

Опираясь в своей исследовательской деятельности на фундамент теории, физики ведут настойчивую работу по изысканию новых полупроводниковых веществ и созданию из них мощных солнечных фотоэлектрических преобразователей. В научной литературе уже появились сообщения о фотоэлементах из арсенида галлия, теллурида кадмия, сернистого кадмия и других соединений. Но по эффективности преобразования все они пока еще уступают солнечной батарее. 

Дальнейшая работа исследователей идет одновременно по нескольким направлениям. Продолжаются поиски путей радикального повышения эффективности преобразования кремниевых фотоэлементов и резкого снижения их стоимости. Это тем более оправдано, что по своим фотоэлектрическим свойствам кремний достаточно близко подходит к тому идеальному и пока еще неизвестному физикам веществу, из которого, согласно теоретическим предположениям, должны получаться великолепные фотоэлементы. 

Физика полупроводников развивается быстрыми темпами. Вслед за чисто научными достижениями приходит практическая их реализация. Очевидно, уже в ближайшие годы будут созданы солнечные фотоэлектрические преобразователи с теоретически возможным коэффициентом полезного действия. Тогда с каждого квадратного метра поверхности фотоэлемента мы сможем получать до 250 ватт электроэнергии. Перспектива необычайно заманчивая, и ради ее претворения в жизнь, безусловно, стоит работать!

Подземное море и храм под водой

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *