Фотоэлектропреобразователи (ФЭП) стоят несколько особняком в ряду других преобразователей энергии в электрическую. Рассмотренные в первых двух параграфах данной главы преобразователи, как отмечалось, преобразуют в электроэнергию теплоту. Поэтому предельные теоретические значения к. п. д. этих преобразователей не могут превосходить к. п. д. цикла Карно, осуществляемого при тех же температурах, что и температуры горячего и холодного спаев для ТЭГ или эмиттера и коллектора для ТЭП.
Фотоэлектропреобразователь преобразует в электроэнергию энергию электромагнитного излучения, причем исходное излучение может иметь как тепловую, так и нетепловую природу. В большинстве случаев ФЭП используют электромагнитное излучение (свет) от Солнца, природа которого может считаться тепловой. Солнечное излучение, как уже отмечалось, в первом приближении может быть отождествлено с тепловым излучением абсолютно черного тела с температурой около 5800 К.
При этом максимально возможный к. п. д. ФЭП не может превосходить к. п. д. цикла Карно с верхней температурой, равной 5800 К.
Принцип работы ФЭП основан на фотоэффекте, который был открыт еще в прошлом веке и получил объяснение в работах А. Эйнштейна в 1905 г. Сущность фотоэффекта состоит в том, что электроны, содержащиеся в материале катода ФЭП, под действием поглощаемого электромагнитного излучения изменяют свое энергетическое состояние. Первые попытки осуществить фотоэлектрический преобразователь предполагали использование внешнего фотоэффекта, состоящего в том, что под воздействием излучения электроны вырываются с поверхности металла катода в окружающий вакуум. Однако к. п. д. таких преобразователей оказался очень малым, и сегодня их используют в основном в качестве детекторов излучения, а не преобразователей.
Рис. 5.11. Схема запирающего слоя при контакте полупроводников n- и р-типа.
Cущественные успехи в развитии ФЭП были достигнуты при переходе на преобразователи с запирающим слоем, основанные на так называемом внутреннем, или вентильном фотоэффекте. Запирающий слой образуется при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости, о чем говорилось в §5.1. Схема образования запирающего слоя показана на рис. 5.11. Поскольку в п-полупроводнике имеются в избытке свободные электроны (с отрицательными зарядами), а в р-полупроводнике — дырки (с положительным зарядом), то при контакте этих полупроводников электроны начинают диффундировать в р-полупроводник, а дырки — навстречу в п-полупроводник. Этот процесс продолжается до тех пор, пока избыточная концентрация отрицательных и положительных зарядов в запирающем слое толщиной d не создаст разность потенциалов, которая уравновесит диффузию зарядов. Эта контактная разность потенциалов составляет в большинстве случаев несколько десятых вольта при толщине запирающего слоя 10-4— 10-5 см. Также, как это отмечалось в случае термоэлектрогенераторов, контактная разность потенциалов не может быть использована для создания тока, ибо при замыкании цепи она будет уравновешена такой же разностью, но противоположного знака.
Положение меняется, когда на границу между п- и р-полупроводниками падает свет. Действие света состоит в том, что в обоих полупроводниках появляются дополнительные пары электрон — дырка. Под действием контактной разности потенциалов эти избыточные заряды смещаются: электроны — в п-полупроводник, заряжая его отрицательно, а дырки — в р-полупроводник, заряжая его положительно. Эта дополнительная разность потенциалов, поддерживаемая непрерывным освещением контактной поверхности, при замыкании внешней цепи создает электрический ток. При прекращении освещения ток прекращается.
Освещение поверхности контакта технически обеспечивается тем, что нa p-полупроводник наносится тонкая, практически прозрачная пленка п-полупроводника, через которую свет достигает контактной поверхности.
Изготавливаемые в настоящее время ФЭП создаются на основе кремния или германия. Эти элементы IV группы периодической системы Менделеева в чистом виде представляют собой диэлектрики. Однако за счет легирования соответствующими малыми примесями, как это рассматривалось в § 5.1, из них можно создать полупроводники п- или p-типа, обладающие нужными для ФЭП свойствами.
Рис. 5.12. Схема донорного уровня в полупроводнике п-типа.
Рис. 5.13. Схема акцепторного уровня в полупроводнике р-типа.
Для получения п-полупроводника исходный кристалл кремния или германия легируется, например элементами V группы (фосфор, мышьяк, сурьма). Элементы V группы имеют пять валентных электронов (на один электрон больше, чем элементы IV группы). Когда такой атом внедряется в кристаллическую решетку, например, кремния, то связь его избыточного пятого электрона с соответствующим атомом ослабевает. Схема образования такого донорного уровня энергии электрона показана на рис. 5.12. Для чистого кремния ширина запрещенной зоны равна 1,1 эВ; ∆Wд — для перехода с донорного уровня, образованного при легировании мышьяком, составляет всего 0,054 эВ.
Для получения полупроводника p-типа легирование осуществляется элементами III группы (бор). В этом случае три валентных электрона бора способны присоединить четвертый электрон, отбираемый от атомов основного вещества или, во всяком случае, ослабить его связь с ними. Схема образования этого уровня энергии, обеспечивающего проводимость p-типа, показана на рис. 5.13. Для случая легирования кремния бором величина — энергия перехода связанного электрона на акцепторный уровень составляет всего 0,08 эВ.
Для определения максимально возможного к. п. д. ФЭП необходимо вспомнить основные законы, управляющие фотоэффектом.
Закон Столетова утверждает, что максимальная плотность тока iмакс (ток насыщения), который можно получить от ФЭП, пропорциональна мощности излучения Ф, т. е. энергии излучения, падающей в единицу времени на единицу поверхности, при условии, что спектральный состав излучения остается неизменным.
Итак,
(5.13) где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств примененных в ФЭП материалов.
Как уже отмечалось, излучение Солнца можно в первом приближении рассматривать как тепловое излучение абсолютно черного тела, спектральный состав которого определяется только температурой.
Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела при некоторой температуре Т и длине волны излучения определяется формулой Планка:
В результате распределение энергии в солнечном излучении вблизи Земли (за пределами ее атмосферы) примерно
Рис. 5.14. Спектральный состав излучения абсолютно черного тела при Т=5800 К.
описывается графиком, изображенным на рис. 5.14. Полная мощность солнечного излучения, равная площади (интегралу) этого графика, составляет около 1,4 кВт/м2.
В атмосфере часть излучения поглощается, поэтому приходящая к поверхности Земли мощность солнечного излучения на 1 м2 поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, сильно колеблется в зависимости от широты местности, времени года, времени суток и состояния атмосферы. Эту мощность можно увеличивать, применяя концентраторы солнечной энергии в виде зеркал или линз. Как правило, ФЭП работает без концентраторов, но в ряде случаев применение концентраторов может оказаться целесообразным.
Важным для оценки эффективности работы ФЭП является закон Эйнштейна, являющийся по существу законом сохранения энергии для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном. Этот закон для внешнего фотоэффекта устанавливает, что кинетическая энергия W свободного электрона, образовавшегося за счет взаимодействия с фотоном, равна разности энергии фотона hv и работы выхода электрона φ:
(5.14)
За 20 лет своего промышленного использования, в основном в качестве бортовых источников электроэнергии для космических аппаратов, ФЭП получили достаточно широкое развитие. Для наиболее освоенного типа кремниевых ФЭП достигнутые в эксплуатации значения к. п. д. составляют около 15%. ФЭП на базе арсенида галлия в лабораторных условиях имеют к. п. д. до 20%. Однако сегодня ФЭП все еще очень дороги, прежде всего из-за высокой стоимости чистых полупроводниковых материалов. В одном из докладов на МИРЭК-10 говорилось, что еще три года назад кремниевые солнечные ФЭП стоили 50—60 долларов за 1 Вт пиковой мощности. В 1977 г. за счет совершенствования технологии эта стоимость снижена до 15 долларов. Целью исследований и технологических разработок, проводимых в США, является доведение к 1986 г. этой стоимости до 50 центов/Вт. При такой стоимости кремниевые ФЭП смогут вырабатывать электроэнергию в земных условиях по ценам, конкурентоспособным с другими автономными источниками энергии.
