Для понимания принципа и особенностей работы солнечной батареи, как элемента фотоэлектронного преобразователя (ФЭП), следует знать некоторые базовые определения.
Фотоэлектронная эмиссия в полупроводниках
Общеизвестно, что фотон света обладает свойствами частицы (масса, скорость) и волны (длина и частота). Этот дуализм (двойственность) делает свет уникальным источником энергии, который практически неиссякаем. Явление эмиссии электронов и «дырок» — положительных зарядов в полупроводниках (на пластине с селеновым покрытием) зафиксировано 130 лет назад, но только в середине ХХ века этот процесс нашел промышленное применение.
{source}
<script async src=»//pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js»></script>
<!— ЭнергоСток-принцип-работы-солнечной-батареи-ссылки-верх —>
<ins class=»adsbygoogle»
style=»display:block» data-ad-client=»ca-pub-5027301319016295″ data-ad-slot=»4836887166″ data-ad-format=»link»></ins>
<script>
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
</script>
{/source}
Полупроводники обладают уникальными свойствами, которые возникают на линии соединения двух типов полупроводников, один из которых является донором или n-зона (избыток свободных электронов), а другой акцептором или p-зона (избыток дырок). Зона соприкосновения зон получила название n-p переход. Ширина запретной зоны (рис.1), соответствующая 1-3 эВ, обеспечивает замедление процессов естественной рекомбинации заряженных частиц. В принципе, световой поток воздействует на электроны любого материала, но в проводниках, за счет перекрытия зон происходит мгновенная рекомбинация электрона и дырки, а в диэлектриках энергии фотона недостаточно для отрыва электрона и образования заряженных частиц. Полупроводник, при определенных условиях, занимает промежуточное положение.
Кремний (Si) получил широкое распространение в светогенерирующих технологиях из-за оптимальной ширины запретной зоны (1,4 эВ), а значит, достаточно низкой энергии необходимой для образования заряженных частиц и широкого природного распространения (кварцевый песок).
Для повышения эффективности образования заряженных частиц поверхность кристалла кремния покрывают слоем материала с избыточным содержанием положительно заряженных частиц. Толщина покрытия составляет 1-2 мкм, что не влияет на проницаемость слоя для фотонов, т.к. при его ударе в уже активированную заряженную частицу (дырку) энергия передается в нижележащие слои кремния (до 1 см), где и происходит отрыв электрона. Таким образом, на контактах системы возникает разность потенциалов (рис. 2).
{source}
<script async src=»//pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js»></script>
<!— ЭнергоСток-принцип-работы-солнечной-батареи-ссылки-середина —>
<ins class=»adsbygoogle» style=»display:block» data-ad-client=»ca-pub-5027301319016295″ data-ad-slot=»7790353562″ data-ad-format=»link»></ins>
<script>
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
</script>
{/source}
Материалы на основе кристаллических решеток обладают высокой стабильностью, т.е. неравновесное состояние решетки под действием внешних сил — это противоестественное состояние, которое решетка стремится исправить. Неравновесные состояния, возникшие под действием механических нагрузок, устраняются термической обработкой, а возбуждения на уровне заряженных частиц устраняется их рекомбинацией. Скорость рекомбинации является одной из причин низкого КПД фотоэлектронных преобразователей.