1.5.3. Эффективность преобразовасвета в электрическую энергию

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение максимальной электрической мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД фотоэлемента, относят:

а) отражение от поверхности полупроводника;

б) фотоэлектрически неактивное поглощение квантов света (поглощение без образования пар носителей электрон-дырка);

с) рекомбинация неравновесных носителей ещё до их разделения электрическим полем p-n-перехода;

д) потери мощности при прохождении тока через объёмное сопротивление базы фотоэлемента.

В результате этих процессов КПД кремниевых фотоэлементов при преобразовании солнечного света в электрическую энергию составляет величину ~ 20 %. (Теоретически предельный КПД для кремния составляет 24 %).

Бо́льший коэффициент полезного действия реализуют на солнечных элементах на основе арсенида галлия (GaAs), однако стоимость этого материала существенно выше и с целью удешевления солнечных элементов на основе GaAs используют концентраторы солнечной энергии.

1.5.4. Спектральная характеритика солнечного элемента

Спектральная характеристика фотоэлемента это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света.

Рис. 8. Вольт-амперная характеристика солнечной батареи: a) с охлаждающим вентилятором, b) без охлаждающего вентилятора, c) при экранировке стеклянным колпаком.

Рис. 7. Спектр Солнца (Т ≈ 5800 К), спектр света лампы (Т ≈ 2000 K) и спектральная чувствительность кремниевой солнечной ячейки.

Для кремниевого фотоэлемента максимум спектральной характеристики почти соответствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света (рис. 7). Именно поэтому кремниевые фотоэлементы широко используются для создания солнечных батарей.

Спектр лампы и Солнца отличаются тем, что у Солнца больше коротковолнового излучения (с большей энергией), а у спектра лампы больше длинноволнового излучения. Таким образом, лампа сильнее нагревает фотоэлемент, поэтому её свет даёт меньший ток короткого замыкания и, соответственно, меньший коэффициент полезного действия.

Если энергия кванта света меньше ширины запрещённой зоны, то фотоэффекта не будет вовсе, поэтому существует минимальная энергия (или максимальная длина волны), при которой эффект ещё наблюдается. Для кремния Si ширина запрещённой зоны E_g = 1,1 эВ, что соответствует длине волны λ_max = 1,3 мкм и частоте ν = 2,5•10¹⁴ Гц

2.5.5. Зависимость тока короткого замыкания и напряжения холостого хода от температуры

С повышением температуры фотоэлемента происходит:

а) понижение потенциального барьера (уменьшатся ширина запрещённой зоны);

б) увеличивается количество основных носителей, имеющих бо́льшую энергию, т.е. происходит перераспределение носителей по уровням.

Понижение барьера приводит к понижению напряжения холостого хода (а также тока короткого замыкания) – уменьшается площадь под вольт-амперной характеристикой – уменьшается КПД фотоэлемента (рис. 8).