вентильном фотоэффекте, непосредственно превращают падающее на них оптическое излучение в электрическую энергию, являясь, таким образом, ее генераторами, и в отличие от фотосопротивлений и фотоэлементов с внешним фотоэффектом не нуждаются в источнике внешнего напряжения.

Начиная с открытия в середине прошлого века фотоэлектрических свойств селена и создания в конце прошлого и начале нашего столетия на основе селена и гетеросистемы медь — закись меди первых фотоэлектрических преобразователей светового излучения в небольшие электрические сигналы, делались неоднократные попытки повышения КПД таких преобразователей и превращения их в источник электрической энергии значительной мощности.

Усовершенствование технологии, а также применение оптических фильтров позволили получить селеновые фотоэлементы, спектральная чувствительность которых практически повторяла кривую чувствительности человеческого глаза. Улучшенные селеновые фотоэлементы нашли широкое применение в качестве фотоэкспонометров в фото- и киноаппаратуре. Однако коэффициент полезного действия фотоэлементов не поднимался выше 0,5 %.

Успешное развитие фотоэлектрического метода преобразования энергии излучения началось лишь после создания зонной теории электронного строения полупроводников, разработки методов их очистки и контролируемого легирования, выяснения той определяющей роли, которую играет запорный слой на границе полупроводников с противоположным типом проводимости.

В 1954 г. появилось краткое сообщение о разработке солнечного элемента с кпд около 6 %, а в 1958 г. на борту советских и американских спутников Земли уже работали кремниевые солнечные батареи, снабжавшие электроэнергией электронную аппаратуру·

За прошедшее время КПД солнечных элементов резко возрос, чему способствовали все лучшее понимание физических явлений, происходящих в солнечных элементах, создание все более совершенных технологических приемов их изготовления и разработка новых усовершенствованных конструкций элементов из разнообразных полупроводниковых материалов. В СССР особенно много для развития фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии сделали H. С. Лидоренко, А. П. Ландсман, В. С. Вавилов, Ю. П. Маслаковец, В. К. Субашиев, А. М. Васильев, Ж. И. Алферов, в США — II. Раппопорт, М. Принс, Дж. Лоферский, М. Вольф, Г. Раушенбах, Дж. Ландмайер, Г. Брандхорст.

Большинство вентильных фотоэлементов, созданных в первые десятилетия развития фотоэлектричества, — селеновые, сернистогаллиевые, сернистосеребряные, сернистомедные, германиевые и некоторые другие — используются по-прежнему в основном как индикаторы излучения. Кремниевые фотоэлементы, а в последнее время и фотоэлементы из арсенида галлия и других широкозонных полупроводников благодаря высокому КПД, достигающему в настоящее время у лучших образцов 15–22 % (а при использовании сложных каскадных систем на их основе даже 27–30 %), широко применяются как фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения или солнечные элементы.

Фотоэлектрогенераторы для прямого преобразования энергии излучения Солнца в электрическую, собранные из большого числа последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов, получили название солнечных батарей. Современные солнечные батареи генерируют на свету значительную электрическую мощность и применяются как для питания радиосхем, средств связи, счетчиков космических частиц, так и для энергоснабжения большинства космических аппаратов и многих наземных автономных устройств различного назначения.

Полупроводниковый, например, кремниевый, солнечный элемент наиболее распространенной конструкции представляет собой систему из двух полупроводниковых слоев с проводимостями р- и n-типа, находящихся в тесном контакте друг с другом. Переходная зона (граница) между областями с противоположными типами проводимости располагается внутри полупроводникового материала и называется, как уже упоминалось, электронно-дырочным или р-n-переходом (ранее чаще именовавшаяся запорным слоем).

Уровень Ферми, определяющий равновесие между дырками и электронами, во всем материале должен быть одинаковым. Это условие обеспечивается двойным заряженным слоем в области р-n-перехода, получившим название слоя объемного заряда, и сопровождающим его электростатическим потенциалом (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Структура энергетических зон полупроводника в области неосвещенного р-п-перехода (а) и распределение электростатического потенциала (б)

2l — ширина области объемного заряда р-n-перехода; UE— равновесный электростатичеиский потенциал на границе п- и p-областей; Eg — ширина запрещенной зоны; штриховая линия — равновесное положение уровня Ферми

Высота потенциального барьера р-n-перехода равна разности положений дна зон проводимости материалов п- и р-типов.

Следует отметить, что положение уровня Ферми и, следовательно, высота потенциального барьера зависят от температуры и концентрации примесей в полупроводниковом материале по обе стороны p-n-перехода, что, с одной стороны, открывает широкие возможности по направленному изменению свойств р-n-переходов, а с другой — определяет достаточно сильную зависимость его оптических и фотоэлектрических свойств от температуры.

Оптическое излучение, падающее на поверхность полупроводниковой структуры с p-n-переходом, создает (в основном вблизи поверхности) пары электрон-дырка, причем концентрация пар постепенно спадает от поверхности в глубь полупроводника по направлению к p-n-переходу. В том случае, когда расстояние от поверхности до p-n-перехода меньше глубины проникновения света 1/α, пары электрон — дырка создаются за p-n-переходом. Если переход отстоит от места возникновения пар на расстоянии, меньшем диффузионной длины, то они вследствие диффузии пойдут к p-n-переходу и разделятся под действием его поля. Электроны перейдут в электронную, а дырки — в дырочную часть перехода. На внешних металлических электродах, соединенных с р- и n-областями полупроводника, появится разность потенциалов, которая вызовет ток через нагрузочное сопротивление.

Диффундирующие к p-n-переходу неосновные избыточные носители тока будут разделяться благодаря наличию потенциального барьера. Скопление избыточных (разделенных переходом) электронов в n-области и дырок в p-области фотопреобразователя приводит к компенсации объемного заряда, сосредоточенного у p-n-перехода, т. е. к созданию электрического поля, противоположного по направлению к существующему.

Таким образом, одновременно с появлением разности потенциалов на внешних электродах вследствие освещения происходит изменение и потенциального барьера, существовавшего в неосвещенном p-n-переходе. Возникающая фото-ЭДС уменьшает этот барьер, что, в свою очередь, приведет к возникновению встречных потоков (дополнительно к существовавшим при равновесии) электронов из электронной и дырок из дырочной частей. Эти потоки практически равноценны току в прямом направлении, возникающему под действием приложенного к p-n-переходу электрического напряжения.

Таким образом, с момента начала освещения по мере накопления избыточной (по сравнению с равновесной) концентрации электронов в электронной части p-n-перехода и дырок в дырочной происходит уменьшение высоты барьера, или электростатического потенциала (см. рис. 2.5), что вызывает увеличение тока во внешней нагрузке и возрастание плотности встречных потоков электронов и дырок через p-n-переход.

Когда число создаваемых светом избыточных пар сравняется с числом пар, уходящих через p-n-переход или во внешнюю нагрузку, установится стационарное состояние. Как правило, это происходит через тысячные доли секунды после начала освещения.

Измерение тока короткого замыкания солнечного элемента одновременно с исследованием спектрального состава и плотности падающего оптического излучения позволяет получить представление об эффективности каждой из стадий процесса преобразования излучения в электрическую энергию, происходящего внутри элемента.

Прежде всего, конечно, полезно условиться о том, по отношению к какому — падающему или поглощенному — потоку излучения производится оценка рассматриваемых процессов. В пределах линейной зависимости тока короткого замыкания солнечного элемента от плотности потока излучения справедливо соотношение

Iκ 32(λ) =Iκ 31(λ)/(1-r(λ)),

где Iκ 32(λ), Iκ 31(λ) — ток короткого