Конструкции и принципы работы фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии

Abstract

В работе проводится анализ структур современных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Решение экологических проблем при возрастающем энергопотреблении и ограниченности традиционных земных ресурсов делает актуальными задачи использования альтернативных и возобновляемых источников энергии. Для земных применений практически неограниченным источником энергии является Солнце. Создание эффективных структур и конструкций фотоэлектрических преобразователей позволит получить доступ к этому источнику. В настоящее время их практическое применение ограничивает высокая стоимость солнечных батарей. В данной работе обобщаются известные результаты решения задач создания фотоэлектрических преобразователей. Показаны конструкции и принципы работы фотоэлектрических преобразователей, рассмотрены одно- и трехкаскадные элементы. Определены условия для эффективной работы фотоэлектрических преобразователей. Особое внимание уделяется материалам для создания элементов фотоэлектрических преобразователей. Рассматриваются особенности материалов, в которых формируются потенциальные барьеры и генерируются пары электронов и дырок. Также внимание уделяется материалам, которые используются для формирования конструкций фотоэлектронных преобразователей, а именно материалам подложек, контактов и др. Эти материалы должны обеспечить значительную высоту барьера в полупроводниковом переходе. Генерируемые при этом электроны и дырки эффективно собираются на контактных электродах. Рассмотренные условия эффективной работы фотоэлектрических преобразователей определяют их практическое значение. Показано, что дальнейшее повышение эффективности фотоэлектрических преобразователей требует как развития технологий и совершенствования структур, так и привлечения еще не используемых физических принципов, а также новых комбинаций тех, что уже применяются.

У роботі проведено аналіз структур сучасних фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. Рішення екологічних проблем за умов зростаючого енергоспоживання та обмеженості традиційних земних ресурсів робить актуальними завдання використання альтернативних і поновлюваних джерел енергії. Для земних застосувань практично необмеженим джерелом енергії є Сонце. Створення ефективних структур і конструкцій фотоелектричних перетворювачів дозволить отримати доступ до цього джерела. Нині їх практичне застосування обмежує висока вартість сонячних батарей. У цій роботі узагальнюються відомі результати рішення завдань створення фотоелектричних перетворювачів. Показано конструкції і принципи роботи фотоелектрич-них перетворювачів, розглянуто одно- і трикаскадні елементи. Визначено умови для ефективної роботи фотоелектричних перетворювачів. Особливу увагу приділено матеріалам для створення елементів фото-електричних перетворювачів. Розглядаються особливості матеріалів, у яких формуються потенційні бар’єри та генеруються пари електронів і дірок. Також увага приділяється матеріалам, які використовуються для формування конструкцій фотоелектронних перетворювачів, а саме матеріалів підкладок, контактів тощо. Ці матеріали повинні забезпечити значну висоту бар’єру в напівпровідниковому переході. Генеровані при цьому електрони і дірки ефективно збираються на контактних електродах. Розглянуті умови ефективної роботи фотоелектричних перетворювачів визначають їх практичне значення. Показано, що подальше підвищення ефектив-ності фотоелектричних перетворювачів вимагає як розвитку технологій та вдосконалення структур, так і залучення ще невикористовуваних фізичних принципів, а також нових комбінацій тих, що вже застосовуються.

In the present paper, the analysis of structures of modern photoelectric solar energy converters is carried out. The solution of ecological problems at increasing energy consumption and limitations of traditional earthly resources makes the tasks of using alternative and renewable energy sources actual. The sun is a practically unlimited energy source for earthly applications. Development of effective structures and designs of photoelectric converters provides the access to this source. Currently, their practical application is limited due to the high cost of solar batteries. The paper generalizes the known results of solving the problems of creating photoelectric converters. The design and operation principles of photoelectric converters are shown, single- and 3-stage elements are considered. Conditions for efficient operation of photoelectric converters are determined. Particular attention is paid to materials for creating elements of photoelectric converters. The paper considers the peculiarities of materials in which potential barriers are formed and pairs of electrons and holes are generated. In addition, the paper deals with the materials that are used for forming the constructions of photoelectric converters, namely, the materials of plates, contacts etc. These materials must provide a considerable barrier height in a semiconductor junction. The generated electrons and holes are effectively collected at contact electrodes. The considered conditions of efficient operation of photoelectric converters determine their practical importance. It is shown that the further increase of efficiency of photoelectric converters requires the development of technologies, improvement of structures, and application of physical principles that are not used yet, as well as new combinations of those that are already being used.