Фотоэлектрический генератор

В гл. 5 (см. рис. 55) мы познакомились со структурой электронных энергетических зон для различных материалов. Как мы уже знаем, чтобы в материале возник ток, электроны должны получить некоторую дополнительную энергию, благодаря чему они занимают новые разрешенные уровни в энергетических зонах. Электроны с энергиями, соответствующими заполненной, или валентной зоне, не могут перемещаться, если им не сообщить энергию, достаточную для перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Для преодоления запрещенной зоны электроны в таких естественных полупроводниках, как германий или кремний, должны получить энергию порядка 1 эВ. Но именно такой энергией обладают фотоны света. Принцип действия полупроводникового фотоэлектрического генератора заключается в следующем: при поглощении фотонов солнечной радиации электроны приобретают дополнительную энергию и перемещаются в зону проводимости. Энергия каждого электрона возрастает на величину, соответствующую ширине запрещенной зоны. Обычно электрон остается в этом состоянии в течении очень короткого времени. Затем он рекомбинирует с ионом, а высвобождающаяся при этом энергия идет на усиление колебаний решетки или же переизлучается. Как мы знаем, усиление колебаний ионов в кристаллической решетке твердого тела приводит к повышению его температуры. Именно этого следует избегать. В фотоэлектрическом генераторе возбужденные светом электроны проходят через полупроводниковый материал и успевают отдать избыток энергии полезной нагрузке, прежде чем израсходуют его на другие взаимодействия. Пытаясь избежать стадии превращения солнечной энергии в тепловую, мы надеемся освободиться от определенных термодинамических ограничений, но, к сожалению, природа воздвигает перед нами новые препятствия.

Уравнение (8.2) показывает, как изменяется (уменьшается) энергия фотонов солнечной радиации с увеличением их длины волны. Очевидно, существует такая длина волны, когда энергия фотонов оказывается недостаточной, чтобы возбужденные ими электроны могли перескочить через запрещенную зону. Например, ширина запрещенной зоны для кремния при обычных температурах составляет около 1,1 эВ, что соответствует энергии фотона с длиной волны около 1,1 мкм. Около 20% солнечной радиации у поверхности земли на уровне моря приходится на более длинные волны, таким образом они выпадают из сферы действия устройств на основе кремния. К сожалению, и более коротковолновую радиацию также нельзя использовать полностью. Поскольку электроны перемещаются только на разрешенные уровни, то возбужденное состояние долго сохраняют лишь те электроны, энергия которых близка к ширине запрещенной зоны. При облучении материала более энергичными фотонами избыток энергии электронов быстро расходуется на усиление колебаний решетки вещества, то есть на повышение его внутренней энергии. Таким образом, при облучении кремния фотонами с длиной волны 0,6 мкм (соответственно с энергией около 2,0 эВ) электрон может "принять" лишь 1,1 эВ, остаток же энергии бесполезно тратится на повышение температуры материала.

Теперь ориентировочно оценим максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью идеального фотоэлектрического генератора. Эта эффективность частично зависит от распределения энергии в спектре солнечной радиации, которое, как показано в гл. 2 (см. рис. 12), изменяется в зависимости от метеорологических условий и широты местности. Для примера в табл. 4 приведены данные, полученные для безоблачных условий в тропиках.

Таблица 4. Максимальная эффективность преобразования солнечной энергии в кремнии (граничная длина волны равна 1,1 мкм)

Приведенные в третьей колонке значения получены как отношение средней длины волны интервала к граничной длине волны, соответствующей ширине запрещенной зоны. Из уравнения (8.2) видно, что если энергия фотона с длиной волны λ равна ^1,24/_λ, а энергию, точно соответствующую ширине запрещенной зоны, имеют фотоны с длиной волны λ₃, то долю полезной энергии при облучении фотонами с длиной волны λ можно определить отношением ^λ/_λ3. Фотоны с длинами волн, превышающими граничную длину волны, вообще не возбуждают электроны.

Подобные расчеты, проведенные для различных граничных длин волн, показывают, что кремний (λ₃ = 1,1 мкм) является, по-видимому, самым лучшим материалом для фотоэлектрических генераторов, хотя его максимальный к. п. д. для некоторого интервала длин волн вблизи λ₃ достигает всего лишь 45%. Следовательно, к. п. д. подобных фотоэлектрических устройств не превышает 45%. К сожалению, в реальных устройствах к. п. д. оказывается еще меньше. Чтобы объяснить это, нам следует более подробно рассмотреть процесс получения энергии от электронов, возбуждаемых солнечной радиацией.