ПРИНЦИП РАБОТЫ

Фотогальваника – прямое преобразование света в электричество на атомном уровне. Некоторые материалы обладают свойством, известным как фотоэлектрический эффект – поглощение фотонов света с освобождением электронов. Когда эти свободные электроны захватываются, создается электрический ток.

Фотоэлектрический эффект впервые отметил французский физик, Эдмунд Бекерель, в 1839 году, который обнаружил, что некоторые материалы могут производить небольшое количество электрического тока под воздействием света. В 1905 году Альберт Эйнштейн описал природу света и фотоэлектрический эффект, на котором основана фотоэлектрическая технология, за которую он впоследствии получил Нобелевскую премию по физике. Первый фотоэлектрический модуль был построен Bell Laboratories в 1954 году. Он был объявлен как солнечная батарея, построенная ради любопытства, так как была слишком дорога для широкого распространения. В 1960 году космическая отрасль начала делать первые серьезные шаги в использовании технологии для обеспечения питания на борту космического корабля. С помощью космических программ, технология развивалась, ее надежность была доказана, а стоимость начала снижаться. Во время энергетического кризиса в 1970-х годах, фотоэлектрические технологии получили признание как источник энергии для некосмической техники.

Рисунок иллюстрирует работу основных фотоэлектрических ячеек, также называемых солнечными элементами. Солнечные элементы изготавливаются из тех же видов полупроводниковых материалов, таких как кремний, используемых в микроэлектронной промышленности. Для солнечных батарей, тонкие пластины полупроводника специально обрабатывают для формирования электрического поля, положительного с одной стороны и отрицательного с другой. Когда свет падает на солнечный элемент, электроны выбиваются из атомов в полупроводниковом материале. Если электрический проводник подключается к положительной и отрицательной сторонам, образуя электрическую цепь, электроны могут быть захвачены в виде электрического тока. Это электричество затем может быть использовано для питания нагрузки, например, света или инструмента.

Солнечные ячейки электрически соединяются друг с другом и монтируется в поддерживающие структуры или рамы, называемые фотоэлектрическими модулями. Модули предназначены для снабжения электроэнергией определенного напряжения, например, общая система 12 вольт. Ток находится в прямой зависимости от того, сколько света падает на модуль.

Несколько модулей могут быть соединены вместе для формирования батареи. В общем, чем больше площадь модуля или батареи,  тем больше электроэнергии будет производиться. Фотоэлектрические модули и батареи производят постоянный ток (DC). Они могут быть подключены как последовательно и параллельно электрическим механизмам для выработки комбинации необходимых напряжений и токов.

Наиболее распространенные современные PV-устройства используют один переход для создания электрического поля внутри полупроводника, такого как PV-ячейка. В однопереходных PV-ячейках, только фотоны, энергия которых равна или больше ширины запрещенной зоны материала ячейки, могут освободить электроны для электрической цепи. Другими словами, фотоэлектрическая чувствительность однопереходной ячейки ограничена для части солнечного спектра, энергия фотонов которого выше ширины запрещенной зоны поглощающего материала, а с меньшей энергией фотонов не используются.

Одним из способов обойти это ограничение является использование двух (или более) различных ячеек, с более чем одной запрещенной зоной и более одного перехода для генерирования напряжения. Это называется "многопереходные" ячейки (также «каскад» или «тандем»).  В многопереходных устройствах можно добиться более высокой общей эффективности преобразования, потому что они могут преобразовать больше энергии светового спектра в электричество.

Как показано ниже, многопереходные устройства представляют собой стек отдельных однопереходных ячеек в порядке уменьшения ширины запрещенной зоны (Eg). Верхняя ячейка захватывает фотоны с высокой энергией и передает остальные фотоны дальше для поглощения ячейками с меньшей шириной запрещенной зоны.

Большая часть современных исследований в многопереходных структурах  проводится на основе арсенида галлия в качестве одного (или всех) компонента ячейки. Такие элементы достигли КПД около 35% при концентрированном солнечном свете. Другими материалами, изучаемыми для многопереходных устройств, были аморфный кремний и диселенид меди индия.

Ниже приведен пример многопереходного солнечного элемента, верхняя ячейка которого выполнена с фосфида галлия индия, "туннельный переход", способствующий потоку электронов между ячейками, а нижняя – с арсенида галлия.