Введение
Выработка электрического тока от света
The photovoltaic effect is the generation of voltage and electric current in a material upon exposure to light. It is a physical phenomenon. The photovoltaic effect is closely related to the photoelectric effect. For both phenomena, light is absorbed, causing excitation of an electron or other charge carrier to a higher energy state. The main distinction is that the term photoelectric effect is now usually used when the electron is ejected out of the material (usually into a vacuum) and photovoltaic effect used when the excited charge carrier is still contained within the material. In either case, an electric potential (or voltage) is produced by the separation of charges, and the light has to have a sufficient energy to overcome the potential barrier for excitation. The physical essence of the difference is usually that photoelectric emission separates the charges by ballistic conduction and photovoltaic emission separates them by diffusion, but some "hot carrier" photovoltaic devices concepts blur this distinction.
Фотоэлектрический эффект – это генерация напряжения и электрического тока в материале при воздействии света. Это физическое явление. Фотоэлектрический эффект тесно связан с фотоэффектом. При обоих явлениях свет поглощается, вызывая возбуждение электрона или другого носителя заряда до более высокого энергетического состояния. Основное различие заключается в том, что термин "фотоэффект" обычно используется, когда электрон вылетает из материала (обычно в вакуум), а "фотоэлектрический эффект" – когда возбужденный носитель заряда остается внутри материала. В любом случае, электрический потенциал (или напряжение) возникает в результате разделения зарядов, и свет должен обладать достаточной энергией для преодоления потенциального барьера возбуждения. Физическая суть различия обычно заключается в том, что при фотоэмиссии заряды разделяются посредством баллистической проводимости, а при фотоэлектрической эмиссии – посредством диффузии, однако некоторые концепции фотоэлектрических устройств с "горячими носителями" размывают это различие.
The photovoltaic effect is the generation of voltage and electric current in a material upon exposure to light. It is a physical phenomenon. The photovoltaic effect is closely related to the photoelectric effect. For both phenomena, light is absorbed, causing excitation of an electron or other charge carrier to a higher energy state. The main distinction is that the term photoelectric effect is now usually used when the electron is ejected out of the material (usually into a vacuum) and photovoltaic effect used when the excited charge carrier is still contained within the material. In either case, an electric potential (or voltage) is produced by the separation of charges, and the light has to have a sufficient energy to overcome the potential barrier for excitation. The physical essence of the difference is usually that photoelectric emission separates the charges by ballistic conduction and photovoltaic emission separates them by diffusion, but some "hot carrier" photovoltaic devices concepts blur this distinction.
История
Первая демонстрация фотоэлектрического эффекта, проведенная Эдмоном Беккерелем в 1839 году, использовала электрохимический элемент. Он описал свое открытие в "Докладах Академии наук" как "возникновение электрического тока при неравномерном воздействии солнечного излучения на две пластины из платины или золота, погруженные в кислый, нейтральный или щелочной раствор". Первый солнечный элемент, состоящий из слоя селена, покрытого тонкой пленкой золота, был исследован Чарльзом Фриттсом в 1884 году, однако его эффективность была крайне низкой. Тем не менее, наиболее распространенная форма фотоэлектрического эффекта основана на использовании твердотельных приборов, в частности фотодиодов. При попадании солнечного света или другого достаточно энергичного излучения на фотодиод, электроны в валентной зоне поглощают энергию, переходят в зону проводимости и становятся свободными в результате возбуждения. Эти возбужденные электроны диффундируют, и часть из них достигает запирающего перехода (обычно p–n перехода диода), где ускоряются встроенным потенциалом (потенциалом Гальвани) в полупроводник n-типа. Это генерирует электродвижущую силу и электрический ток, таким образом, часть энергии света преобразуется в электрическую энергию. Фотоэлектрический эффект также может происходить при одновременном поглощении двух фотонов в процессе, называемом двухфотонным фотоэлектрическим эффектом.
Физика
Помимо прямого фотоэлектрического возбуждения свободных электронов, электрический ток также может возникать благодаря эффекту Зеебека. Когда проводящий или полупроводниковый материал нагревается в результате поглощения электромагнитного излучения, этот нагрев может приводить к увеличению температурных градиентов в полупроводниковом материале или к разнице температур между материалами. Эти тепловые различия, в свою очередь, могут генерировать напряжение, поскольку уровни энергии электронов смещаются по-разному в различных областях, создавая разность потенциалов между этими областями, что, в свою очередь, создает электрический ток. Относительный вклад фотоэлектрического эффекта по сравнению с эффектом Зеебека зависит от множества характеристик составляющих материалов. Все вышеперечисленные эффекты генерируют постоянный ток, а первое экспериментальное подтверждение фотоэлектрического эффекта переменного тока (AC PV) было получено доктором Хайяном Цзоу и профессором Чжун Линем Ваном в Технологическом институте Джорджии в 2017 году. Эффект переменного тока – это генерация переменного тока (AC) в неравновесных состояниях при периодическом освещении перехода или интерфейса материала. Эффект переменного тока PV основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты модуляции. Предполагается, что эффект переменного тока является результатом относительного сдвига и перестройки квазиуровней Ферми полупроводников, прилегающих к переходу/интерфейсу, в неравновесных условиях. Электроны перемещаются в внешней цепи туда и обратно, чтобы сбалансировать разность потенциалов между двумя электродами. Органические солнечные элементы, материалы которых не имеют начальной концентрации носителей заряда, не проявляют эффект переменного тока.
Влияние температуры
Производительность фотоэлектрического модуля зависит от условий окружающей среды, в основном от глобальной радиации, падающей на плоскость модуля (G). Однако температура (T) p–n-перехода также влияет на основные электрические параметры: ток короткого замыкания (ISC), напряжение холостого хода (VOC) и максимальную мощность (Pmax). Первые исследования поведения фотоэлементов при изменяющихся условиях G и T относятся к нескольким десятилетиям назад.1 4 В целом известно, что VOC демонстрирует значительную обратную зависимость от T, в то время как для ISC эта зависимость прямая, но менее выраженная, поэтому это увеличение не компенсирует снижение VOC. Как следствие, Pmax уменьшается с ростом T. Эта зависимость между выходной мощностью солнечного элемента и рабочей температурой его p–n-перехода зависит от полупроводникового материала2 и обусловлена влиянием T на концентрацию, время жизни и подвижность внутренних носителей заряда, то есть электронов и дырок, внутри фотоэлектрического элемента. Температурная чувствительность обычно описывается температурными коэффициентами, каждый из которых выражает производную соответствующего параметра по температуре p–n-перехода. Значения этих параметров можно найти в спецификациях любого фотоэлектрического модуля; они следующие:
– β Coefficient of variation of VOC with respect to T, given by ∂VOC/∂T. – α Coefficient of variation of ISC with respect to T, given by ∂ISC/∂T. – δ Coefficient of variation of Pmax with respect to T, given by ∂Pmax/∂T. Techniques for estimating these coefficients from experimental data can be found in the literature. Few studies analyse the variation of the series resistance with respect to the cell or module temperature. This dependency is studied by suitably processing the current–voltage curve. The temperature coefficient of the series resistance is estimated by using the single diode model or the double diode one.
– β – коэффициент изменения VOC относительно T, определяемый как ∂VOC/∂T.
– α – коэффициент изменения ISC относительно T, определяемый как ∂ISC/∂T.
– δ – коэффициент изменения Pmax относительно T, определяемый как ∂Pmax/∂T.
– β Coefficient of variation of VOC with respect to T, given by ∂VOC/∂T. – α Coefficient of variation of ISC with respect to T, given by ∂ISC/∂T. – δ Coefficient of variation of Pmax with respect to T, given by ∂Pmax/∂T. Techniques for estimating these coefficients from experimental data can be found in the literature. Few studies analyse the variation of the series resistance with respect to the cell or module temperature. This dependency is studied by suitably processing the current–voltage curve. The temperature coefficient of the series resistance is estimated by using the single diode model or the double diode one.
Методы оценки этих коэффициентов на основе экспериментальных данных можно найти в литературе. Лишь немногие исследования анализируют изменение последовательного сопротивления относительно температуры элемента или модуля. Эта зависимость изучается путем соответствующей обработки вольт-амперной характеристики. Температурный коэффициент последовательного сопротивления оценивается с использованием однодиодной или двухдиодной модели.
– β Coefficient of variation of VOC with respect to T, given by ∂VOC/∂T. – α Coefficient of variation of ISC with respect to T, given by ∂ISC/∂T. – δ Coefficient of variation of Pmax with respect to T, given by ∂Pmax/∂T. Techniques for estimating these coefficients from experimental data can be found in the literature. Few studies analyse the variation of the series resistance with respect to the cell or module temperature. This dependency is studied by suitably processing the current–voltage curve. The temperature coefficient of the series resistance is estimated by using the single diode model or the double diode one.
Солнечные элементы
В большинстве фотоэлектрических применений излучением является солнечный свет, а устройства называются солнечными элементами. В случае солнечного элемента на основе полупроводникового p–n (диодного) перехода, освещение материала создает электрический ток, поскольку возбужденные электроны и оставшиеся дырки разделяются встроенным электрическим полем обедненной области, двигаясь в противоположных направлениях. Фотоэлектрический генератор переменного тока работает в неравновесных условиях. Первое исследование было проведено на основе нанопленки p-Si/TiO2. Было обнаружено, что помимо постоянного тока, генерируемого традиционным фотоэлектрическим эффектом, основанным на p–n-переходе, при освещении интерфейса вспыхивающим светом также вырабатывается переменный ток. Эффект переменного тока не подчиняется закону Ома и основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты преобразователя, а напряжение не зависит от частоты. Пиковый ток переменного тока при высокой частоте переключения может значительно превышать ток постоянного тока. Величина выходного сигнала также связана со способностью материалов поглощать свет.