Фотоэлементы

Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием излучения.

Фотоны, воздействуя на p-n-переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в p- и n-областях дырки и электроны диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носителей заряда, возникших в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например для электронов, возникших в p-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в n-область. Аналогично дырки перебрасываются полем из n-области в p-область. А для основных носителей поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т.е. дырки остаются в p-области, а электроны – в n-области (рис.4.7).

В результате такого процесса в n- и p-областях накапливаются избыточные основные носители, т.е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС (Е_ф). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис.4.8). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис.4.9) возникает фототок I_ф=Е_ф/(R_н+R_i), где R_i – внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает уже более 0,5В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких кВт. Солнечные батареи из кремниевых фотоэлементов – это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др.