Удельная стоимость изготовления элементов оптических систем СЭС (в расчёте на единицу установленной мощности), страница 6

Физика фотоэлектрической ячейки очень похожа на классический p – n переход (рис. 6.17). Когда свет поглощён соединением, энергия поглощённых фотонов передаётся электронной системе материала, что приводит к появлению носителей заряда, которые разделены переходом. Носителями заряда могут быть пары электрон–ион в жидком электролите, или парами электрон–дырка в полупроводнике. Носители заряда создают потенциальный градиент в области перехода, получают ускорение под действием электрического поля и начинают циркулировать в виде тока через внешнюю часть схемы. Ток, протекающий через сопротивление схемы, характеризует энергию фотонов, преобразованную в электричество. Оставшаяся часть энергии фотонов идёт на потери связанные с нагревом ячейки.

Рис. 6.17. Преобразование энергии фотонов в напряжение с помощью p – n перехода

1 – световой поток; 2 – Р контакт; 3 – N контакт; 4 – поток электронов; 5 – нагрузка.

Возникновение фотогальванического потенциала основано на различии химических потенциалов, называемых уровнем Ферми, электронов в двух изолированных материалов. Когда они соединяются, их соединение стремится к новому термодинамическому равновесию. Такое равновесие может быть достигнуто только при равенстве уровней Ферми в этих двух материалах. Оно достигается за счёт перетока электронов от одного материала к другому, который происходит до тех пор, пока разность электрических потенциалов между двумя материалами не будет обусловлена химическим потенциалом равным начальному различию уровней Ферми. Этот потенциал контролирует фотопоток.

Устройства, преобразующие солнечную радиацию в электрический ток, называются фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС. Солнечные элементы генерируют электрический ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облучённости. Эффективность преобразования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи.

Рис. 6.18. Структура солнечного элемента с p-n- переходом. ДПБ - добавочный потенциальный барьер:

1 - контакт от лицевой поверхности предыдущего элемента; 2 - противоотражательное покрытие; 3 - лицевой контакт; 4 - к тыльному контакту следующего элемента;

5 - металлический контакт с тыльной стороны

Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды (рис. 6.18). Между p– и n – полупроводниками прокладывается фольга, для того чтобы нижняя часть фотоэлектрической ячейки оставалось в тени.  Для преобразования светового потока в электрический ток металлические контакты устанавливаются с обеих сторон. Верхний контакт представляет собой металлическую сетку, интервал волокон, в которой выбирается из компромисса между максимизацией электрической проводимости и уменьшением сопротивления световому потоку. Также лицевая часть ячейки имеет антирефлексивное покрытие для сокращения отражения. Механическая защита обеспечена защитным остеклением. Крышка, которая изготавливается из стекла или пластика, и фильтр между элементом и крышкой, на рисунке не показаны.

Первые фотодиоды были изготовлены в 1954 году. Технология их изготовления быстро совершенствуется. В настоящее время сформировано общественное мнение, что солнечные элементы получили наибольшее распространение в космической отрасли. Однако это далеко не так и полупроводниковые солнечные элементы в ряде развитых стран широко используются в промышленности и быту.

Полная стоимость солнечной батареи с 1974 по 2003 год упала со $100 до $2,5 на 1 Вт установленной мощности и продолжается дальнейшее снижение цены. Однако,  даже при полной стоимости элементов $2,5 за 1 Вт, при суточной облучённости 20 Мдж/м² и долговечности фотоэлементов около 20 лет стоимость электроэнергии составляет примерно 12 центов (США) за 1 кВт*ч. При такой стоимости электроэнергии солнечные батареи могут конкурировать с дизель-генераторными установками, особенно в отдалённых районах, где стоимость доставки топлива и обслуживания достаточна высока.