Учебно-методическое пособие Ростов-на-Дону 2019

2.3 Классификация солнечных энергетических установок и физические 
основы процессов преобразования солнечного излучения энергии
в другие виды энергии 
Для полезного использования солнечной энергии применяются солнечные 
энергетические установки, которые можно классифицировать по следующим 
признакам: 
 по виду энергии, в который преобразовывается солнечная энергия – теплота 
или электричество; 
 по способу концентрирования солнечной энергии – с концентраторами или 
без концентраторов; 
 по конструктивной сложности – простые (нагрев воды в баке для 
теплоснабжения, тепловая сушка, пассивные системы солнечного 
отопления и т. д.) и сложные. 
Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два 
подвида. Первый из них объединяет установки, в которых солнечное излучение
преобразуется в теплоту, которая далее чаще всего используется на тепловых 
электростанциях. В качестве таких установок можно назвать башенные 
солнечные электростанции, солнечные пруды, солнечные энергетические 
установки с параболоцилиндрическими концентраторами. К этому же подвиду 
относятся и солнечные коллекторы, в которых солнечное излучение используется 
для нагрева теплоносителя, который направляется в системы климатизации 
помещений или на теплотехнологические установки. Второй подвид солнечных 
энергетических установок основывается на непосредственном преобразовании 
солнечного излучения в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических 
элементов. 
В настоящее время в России и в мире наибольшее распространение 
получили два вида солнечных энергетических установок: 
1) солнечные коллекторы; 
2) солнечные фотоэлектрические преобразователи. 
 
2. 4 Солнечные фотоэлектрические преобразователи 
 
Фотоэлектрический 
преобразователь 
(фотоэлектрическая 
ячейка,
фотоэлемент,)– электрическое 
устройство, 
которое 
действует 
как 
преобразователь, и служит для преобразования части потока электромагнитного 

---

21 
излучения (как правило, видимого света и инфракрасных электромагнитных волн) 
в электрическую энергию с помощью фотоэлектрического эффекта. 
Работа 
фотоэлектрического 
преобразователя 
основана 
на 
внутреннем 
фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. В фотоэлементе свободные 
положительные (дырки) и отрицательные (электроны) носители заряда 
образуются в результате взаимодействия полупроводника с электромагнитным 
излучением, а затем разделяются под действием электрического поля, 
возникающего внутри элемента. Таким образом, поглощение излучения в 
идеальном полупроводнике приводит к появлению электрон-дырочной пары, 
время 
жизни, 
которой 
зависит 
от 
структурного 
совершенства 
полупроводникового материала. Процесс аннигиляции электро-дырочных пар 
называется рекомбинацией. Излучение не всякой частоты вызывает генерацию 
электрон-дырочной пары, а только такой, у которого энергия достаточна для 
разрушения связи электронов с ядром атома. Процесс определяется не только 
характеристиками 
электромагнитного 
излучения, 
но 
и 
свойствами 
полупроводникового материала, поэтому не все полупроводники являются 
чувствительными к к такому облучению.
Под действием поглощенных фотонов электромагнитного излучения 
электроны могут переходить из заполненной зоны в свободную, создавая, таким 
образом, фотопроводимость. При этом в полупроводнике возникает лишь 
дополнительная проводимость, но не образуется электродвижущая сила.
Рис.2.1. – Фотоэлектрический преобразователь 
Вместе с тем известно и другое физическое явление, при котором 
электродвижущая сила все-таки появляется в результате освещения 
полупроводника. 
Для 
этого 
необходимо 
подвергнуть 
полупроводник 
неравномерному освещению так, чтобы одни части его поверхности освещались 
более сильно, а другие значительно более слабо. При этом можно обнаружить 
разность потенциалов между светлыми и темными участками. Это явление 
объясняется тем, что в момент освещения электроны начинают диффундировать 
из освещенных участков в темные в гораздо большем количестве, чем в обратном 
направлении. Такая преимущественная диффузия приводит к тому, что темные 
участки (в случае электронного механизма проводимости) постепенно 
заряжаются отрицательно, а светлые – положительно. Вследствие этого процесса 
внутри полупроводника образуется электрическое поле и будет постепенно 

---

22 
увеличиваться разность потенциалов. По истечению определенного периода 
времени установится равновесное состояние, для которого характерно равенство 
электронных потоков в ту и другую сторону. При наступлении равновесия, между 
светлым и темным участками полупроводника возникает разность потенциалов, 
величина которой может достигать 0,2 В. Для получения фототока и 
практического использования фотоэлектрического эффекта образовавшиеся 
электрон-дырочные пары необходимо разделить. Разделение положительных и 
отрицательных зарядов возможно при наличии, так называемого, энергетического 
(запирающего) барьера. Энергетический барьер большинства фотоэлементов 
представляет собой электрическое поле, возникающее на границе двух 
полупроводниковых материалов, отличающихся типом электропроводности 
(электронной - n-тип и дырочной - р-тип). Разделение электрон-дырочных пар
встроенным электрическим полем приводит к формированию фото-э.д.с, которая 
существует до тех пор пока полупроводниковая структура освещается светом. 
Устройство фотоэлемента, позволяющего выполнить эту операцию, представлено 
на рис. 2. Такой фотоэлемент состоит из двух слоев полупроводникового 
материала, например, кремния с n- проводимостью и р- проводимостью. На 
поверхности слоя с р- проводимостью наносится очень тонкий слой какого-либо 
металла, например серебра. Очень тонкие металлические слои являются 
полупрозрачными и хорошо пропускают солнечное излучение. Этот слой 
является внешним электродом. В качестве нижнего электрода может быть 
использована медная пластина. 
Рис. 2.2. – Устройство солнечного элемента 

---

23 
Если теперь собрать простую электрическую цепь – полупрозрачный 
серебряный слои соединить проводом с одним зажимом гальванометра, а его
второй зажим соединить с медной пластиной, то в такой цепи будет 
отсутствовать источник тока и поэтому показания гальванометра будут равны 
нулю. Если же на верхний полупрозрачный серебряный слой направить поток 
солнечного излучения, то стрелка гальванометра уйдет от своего нулевого 
положения, так как в цепи появится электрический ток. Таким образом, 
облучение светом поверхности фотоэлемента вызывает появление в цепи 
электрического тока. Аналогичное явление будет иметь место и при 
использовании других полупроводников. Особенно заметен этот эффект в 
системах, включающих такие полупроводники, как сернистый таллий, сернистое 
серебро, селен, германий, кремний, сернистый кадмий. Это физическое явление 
получило название фотоэффекта запорного слоя или вентильного фотоэффекта. 
Электрическая схема фотоэлектрического преобразователя (рис.1) включает 
в себя слой фоточувcтвительного полупроводникового материала, размещенного 
между двумя проводящими электрический ток электродами. Один из электродов 
выполнен из прозрачного материала, через который проходит солнечное 
излучение и попадает на фоточувствительный материал. При полном освещении 
одного элемента между его электродами возникает разность потенциалов 
(выходное напряжение) около 0,5 В. 
Рис.2. 3. – Устройство солнечного фотоэлемента с запирающим слоем 
Механизм преобразования солнечного излучения в электрическую энергию 
можно разделить на нескольких этапов. Первый этап заключается в том, что 
поглощенное солнечное излучение освобождает в полупроводнике одновременно 
электроны и «дырки», образуя так называемые пары "электрон-дырка". 
Освобождение пар приводит к тому, что электроны из заполненной зоны 
перемещаются в свободную зону, становясь, таким образом, электронами 
проводимости, а «дырки» остаются в заполненной зоне и также участвуют в 
электропроводности. Если бы излучение поглощалось только в одном 
полупроводнике, не контактирующим с другим полупроводником, то возникшие 
под действием света пары "электрон-дырка" увеличили бы только проводимость

---

24 
данного полупроводника. Если же имеется система, состоящая из полупроводника 
с электронной проводимостью (обозначаемого буквой n) и полупроводника с 
дырочной проводимостью (обозначаемого буквой p). Между полупроводниками 
заключен запирающий слой. Контакт р и n полупроводников приводит к 
образованию между ними электрического поля. При условии, что работа выхода 
"дырочного" полупроводника больше работы выхода электронного, (обязательно 
для двух полупроводников одного и того же химического состава), то это 
контактное 
электрическое 
поле 
будет 
направлено 
от 
электронного 
полупроводника к "дырочному". "Освобожденные" излучением не основные 
носители тока, т. е. электроны в дырочном полупроводнике или «дырки» в 
электронном, будут под действием этого поля через запирающий слой будут 
переходить из одного полупроводника в другой. По мере перехода не основных 
носителей тока из одного полупроводника в другой будет происходить их 
накопление в одной части рассматриваемой системы, в то время как в другой 
части будет происходить накопление основных носителей тока. То есть, 
образовавшиеся за счет солнечного излучения пары "электрон-дырка" начнут