Материалы для изготовления полупроводников и строение фотоэлемента

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах( т.е. в фотоэлементе, состоящего из двух полупроводников разной проводимости) при воздействии на них солнечного излучения.

Для получения этого эффекта используются специальные вещества – полупроводники. Они бывают двух типов: с p- и n-проводимостью. N-проводимость означает избыток электронов в веществе, p-, соответственно, - их недостаток

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена:

- легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), например, кремний с добавкой фосфора для получения слоя с n-проводимостью (электронная проводимость), кремний с добавкой бора для получения слоя с р-проводимостью (дырочная проводимость;

- путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов);

- за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур).

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры (фотоэлемента) а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость.
Среди фотоэлектрических установок условно выделяют несколько типов по применяемому в производстве материалу (в порядке уменьшения КПД):

· арсенид галлия (жесткие, тяжёлые модули с КПД 10-25%, сохраняют работоспособность до температур +150°С, спектр 0.5-0.9 – "видимый", дорогие);

· монокристаллический кремний и поликристаллический кремний (жесткие, КПД 12-20% – уменьшается при нагреве - 0.45%/°С считая от +25°С, спектр 0.5-1.0 – "видимый + инфракрасный");

· аморфный кремний (гибкие батареи, КПД 5-10%, спектр 0.2-0.7 – "ультрофиолет+видемый");

· сульфидно-кадмиевые (тонкоплёночные – гибкие, КПД 5-10% – стабилен до температур +100°С, спектр 0.2-0.7– "ультрафиолет");

· CIGS – медь, индий, галлий и селен.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать солнечные элементы на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) — второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема — его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

На основе кремния производятся фотопанели трех видов:

1 Из монокристаллов. Для их изготовления выращиваются монокристаллы с однородной структурой. В результате такие фотоячейки отличаются равномерной поверхностью и, как следствие, лучше поглощают солнечные лучи. Иными словами, их КПД выше, чем у других видов, но при этом они стоят несколько дороже. Эти ячейки имеют вид квадратов со скошенными углами или многоугольников, что объясняется формой монокристаллической кремниевой заготовки.
2 Из поликристаллов. Такие ячейки имеют неоднородную, поликристаллическую, структуру. Их светопоглощение несколько ниже, чем у моноячеек, поскольку неравномерная поверхность отражает часть лучей.
3 На тонких пленках. Принцип работы таких солнечных батарей аналогичен кристаллическим. Но выпускаются они в виде гибких ячеек, которые можно устанавливать на криволинейных поверхностях. Эти батареи дешевы в производстве, и довольно эффективны, но для бытовых целей применяются редко, поскольку по сравнению с кристаллическими занимают большую площадь (примерно в 2,5раза) на единицу мощности.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к погло-щению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина за-прещенной зоны – 1,0 эВ).

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, ис-пользующие органические материалы. Коэффициент полезного дейстия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Плен-ки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологиче-ски несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты — около1%КПД.
Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии.