Перетворення енергії в ФЕП засновано на фотовольтаїчному ефекті, який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при впливі на них сонячного випромінювання.
Природа цього явища.
Неоднорідність структури ФЕП може бути отримана легуванням одного і того ж напівпровідника різними домішками (створення p - n -переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони-енергії відриву електрона з атома (створення гетеропереходів), або ж за рахунок зміни хімічного складу напівпровідника, що приводить до появи градієнта ширини забороненої зони (створення варізонних структур). Можливі також різні комбінації перерахованих способів.
Ефективність перетворення залежить від електрофізичних характеристик неоднорідною напівпровідникової структури, а також оптичних властивостей ФЕП, серед яких найбільш важливу роль грає фотопровідність, обумовлена явищами внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках при опроміненні їх сонячним світлом.
Принцип роботи ФЕП можна пояснити на прикладі перетворювачів з p - n - переходом, які широко застосовуються в сучасній сонячної та космічної енергетики. Електронно-дірковий перехід створюється шляхом легування пластинки монокристалічного напівпровідникового матеріалу з певним типом провідності (тобто або p - або n - типу) домішкою, що забезпечує створення поверхневого шару з провідністю протилежного тіпа.Концентрація легуючої домішки в цьому шарі повинна бути значно вище, ніж концентрація домішки в базовому (первинному монокристалі) матеріалі, щоб нейтралізувати наявні там основні вільні носії заряду і створити провідність протилежного знака. Біля кордону n-і p - шарів в результаті перетікання зарядів утворюються збіднені зони з нескомпенсованого об'ємним позитивним зарядом в n-шар і об'ємним негативним зарядом в p-шар. Ці зони в сукупності і утворюють p - n-перехід.
Виниклий на переході потенційний бар'єр (контактна різниця потенціалів) перешкоджає проходженню основних носіїв заряду, тобто електронів з боку p-шар, але безперешкодно пропускають неосновні носії в протилежних напрямках. Це властивість p - n -переходів і визначає можливість отримання фото-ЕРС при опроміненні ФЕП сонячним світлом.
Створені світлом в обох шарах ФЕП нерівноважні носії заряду (електронно-діркові пари) поділяються на p - n-переході: неосновні носії (т.е.електрони) вільно проходять через перехід, а основні (дірки) затримуються. Таким чином, під дією сонячного випромінювання через p - n-перехід в обох напрямках буде протікати струм нерівноважних неосновних носіїв заряда- фотоелектронів і фотодирок, що як раз і потрібно для роботи ФЕП. Якщо тепер замкнути зовнішній ланцюг, то електрони з n-шар, зробивши роботу на навантаженні, будуть повертатися в p-шар і там рекомбинировать (об'єднуватися) з дірками, що рухаються усередині ФЕП в протилежному напрямку. Для збору і відводу електронів в зовнішній ланцюг на поверхні напівпровідникової структури ФЕП є контактна система. На передній, освітленій поверхні перетворювача контакти виконуються у вигляді сітки або гребінки, а на тильній можуть бути суцільними.
Основні незворотні втрати енергії в ФЕП пов'язані з:
-відображення сонячного випромінювання від поверхні проебразователя,
-прохожденіем частини випромінювання через ФЕП без поглинання в ньому,
-рассеяніем на теплових коливаннях ґрат надлишкової енергії фотонів,
-рекомбінаціей утворилися фотопара на поверхнях і в обсязі ФЕП,
-Внутрішній опором перетворювача,
-і деякими іншими фізичними процесами.
Для зменшення всіх видів втрат енергії в ФЕП розробляються і успішно застосовується різні заходи. До їх числа відносяться:
- використання напівпровідників з оптимальною для сонячного випромінювання шириною забороненої зони;
- спрямоване поліпшення властивостей напівпровідникової структури шляхом її оптимального легування і створення вбудованих електричних полів;
- перехід від гомогенних до гетерогенним і варізонних напівпровідникових структур;
- оптимізація конструктивних параметрів ФЕП (глибини залягання p - n-переходу, товщини базового шару, частоти контактної сітки і ін.);
- застосування багатофункціональних оптичних покриттів, які забезпечують просвітлення, терморегулювання і захист ФЕП від космічної радіації;
- розробка ФЕП, прозорих в довгохвильовій області сонячного спектра за краєм основної смуги поглинання;
- створення каскадних ФЕП із спеціально підібраних по ширині забороненої зони напівпровідників, що дозволяють перетворювати в кожному каскаді випромінювання, що пройшло через попередній каскад, та ін .;
Також істотного підвищення ККД ФЕП вдалося добитися за рахунок створення перетворювачів з двостороннім чутливістю (до +80% до вже наявного ККД одного боку), застосування люмінесцентних перєїзлучать структур, попереднього розкладу сонячного спектра на дві або більше спектральні області за допомогою багатошарових плівкових светоделітель (дихроїчних дзеркал ) з подальшим перетворенням кожної ділянки спектру окремим ФЕП і т.д.5
У системах перетворення енергії СЕС (сонячних електростанцій) в принципі можуть бути використані будь-які створені і розробляються в даний час типи ФЕП різної структури на базі різноманітних напівпровідникових матеріалів, однак не всі вони задовольняють комплексу вимог до цих систем:
- висока надійність при тривалому (десятки років!) Ресурсі роботи;
- доступність вихідних матеріалів в достатній для виготовлення елементів системи перетворення кількості і можливість організації їх масового виробництва;
- прийнятні з точки зору термінів окупності енерговитрати на створення системи перетворення;
- мінімальні витрати енергії і маси, пов'язані з управлінням системою перетворення і передачі енергії (космос), включаючи орієнтацію і стабілізацію станції в цілому;
- зручність техобслуговування.
Так, наприклад, деякі перспективні матеріали важко отримати в необхідних для створення СЕС кол-вах через обмеженість природних запасів вихідної сировини і складності його переработкі.Отдельние методи поліпшення енергетичних і експлуатаційних характеристик ФЕП, наприклад за рахунок створення складних структур, погано сумісні з можливостями організації їх масового виробництва при низькій вартості і т.д.
Висока продуктивність може бути досягнута лише при організації повністю автоматизованого виробництва ФЕП, наприклад на основі стрічкової технології, і створенні розвинутої мережі спеціалізованих підприємств відповідного профілю, тобто фактично цілої галузі промисловості, сумірною за масштабами з сучасної радіоелектронної промишленностью.Ізготовленіе сонячних елементів та збирання сонячних батарей на автоматизованих лініях забезпечить зниження собівартості модуля батареї в 2-2,5 рази.
В якості найбільш ймовірних матеріалів для фотоелектричних систем перетворення сонячної енергії СЕС в даний час розглядається кремній і арсенід галію (GaAs), причому в останньому випадку мова йде про гетерофотопреобразователях (ГФП) зі структурою AlGaAs - GaAs.
