Pooljuhtide fotogalvaanilised energiamuundurid (fotoelemendid)
Fotoelemendid on elektroonilised seadmed, mis on loodud footonite energia muundamiseks elektrivoolu energiaks.
Ajalooliselt leiutati esimene kaasaegse fotoelemendi prototüüp Aleksander G. Stoletov 19. sajandi lõpus. Ta loob seadme, mis töötab välise fotoelektrilise efekti põhimõttel. Esimene eksperimentaalne installatsioon koosnes paarist paralleelsest lamedast metalllehest, millest üks oli valguse läbilaskmiseks võrgust ja teine oli tahke.
Lehtedele rakendati konstantset pinget, mida sai reguleerida vahemikus 0 kuni 250 volti. Pingeallika positiivne poolus ühendati võrguelektroodiga ja negatiivne poolus tahkisega. Skeemi kuulus ka tundlik galvanomeeter.
Kui tahket lehte valgustati elektrikaare valgusega, galvanomeetri nõel kõrvale kaldunud, mis näitab, et ahelas tekib alalisvool hoolimata asjaolust, et ketaste vahel on õhku.Katses leidis teadlane, et "fotovoolu" suurus sõltub nii rakendatavast pingest kui ka valguse intensiivsusest.
Paigaldamise keerulisemaks muutes asetab Stoletov elektroodid silindri sisse, millest õhk eemaldatakse ja tundlikule elektroodile juhitakse läbi kvartsakna ultraviolettvalgus. Nii et see oli avatud fotoefekt.
Tänapäeval selle efekti põhjal see toimib fotogalvaanilised muundurid… Nad reageerivad elemendi pinnale langevale elektromagnetkiirgusele ja muudavad selle väljundpingeks. Sellise muunduri näide on päikesepaneel… Sama põhimõtet kasutab valgustundlikud andurid.
Tüüpiline fotoelement koosneb suure takistusega valgustundliku materjali kihist, mis on kahe juhtiva elektroodi vahel. Seda kasutatakse tavaliselt päikesepatareide fotogalvaanilise materjalina pooljuht, mis täieliku valgustuse korral on võimeline andma väljundis 0,5 volti.
Sellised elemendid on genereeritud energia seisukohalt kõige tõhusamad, kuna võimaldavad otsest üheastmelist footonenergia ülekandmist — elektrivoolus... Tavatingimustes on selliste elementide puhul normiks kasutegur 28%.
Siin tekib töömaterjali pooljuhtstruktuuri ebahomogeensuse tõttu intensiivne fotoelektriline efekt.See ebahomogeensus saadakse kas kasutatava pooljuhtmaterjali dopeerimisel erinevate lisanditega, luues seeläbi pn-siirde, või ühendades erineva vahesuurusega pooljuhid (energia, mille juures elektronid oma aatomitest lahkuvad) – nii saadakse heterosiirde või valides sellise kemikaali. pooljuhi koostis, mille sees ilmub ribalaiuse gradient – astmeline vahestruktuur. Selle tulemusena sõltub antud elemendi efektiivsus konkreetse pooljuhtstruktuuri sees saadud ebahomogeensusnäitajatest ja ka fotojuhtivusest.
Päikesepatarei kadude vähendamiseks kasutatakse nende valmistamisel mitmeid eeskirju. Esiteks kasutatakse pooljuhte, mille ribalaius on just päikesevalguse jaoks optimaalne, näiteks räni ja galliumarseniidi ühendeid, teiseks parandab optimaalne doping struktuuri omadusi. Eelistatakse heterogeenseid ja astmelisi struktuure. Valitakse kihi optimaalne paksus, p-n-ristmiku sügavus ja kontaktvõrgu parimad parameetrid.
Samuti luuakse kaskaadelemente, kus töötavad mitmed erineva sagedusribaga pooljuhid, nii et pärast ühe kaskaadi läbimist siseneb valgus järgmisesse jne. Päikese spektri lagunemise idee tundub paljutõotav, nii et iga selle kaskaadi piirkonnad teisendatakse fotoelemendi eraldi sektsioonist.
Tänapäeval on turul kolm peamist tüüpi fotogalvaanilisi elemente: monokristalliline räni, polükristalliline räni ja õhuke kile.Õhukesi kilesid peetakse kõige lootustandvamaks, kuna need on tundlikud isegi hajuvale valgusele, neid saab asetada kõveratele pindadele, need ei ole nii rabedad kui räni ja on tõhusad ka kõrgel töötemperatuuril.