Фотоэлементом называют полупроводниковое устройство, в котором световая энергия преобразуется в электрическую.

Первые полупроводниковые фотоэлементы были разработаны и получили практическое применение более четверти века тому назад. В качестве полупроводника в них использовалась закись меди, а затем селен, давший лучшие результаты. Селеновые фотоэлементы промышленность выпускает и сейчас. В частности, селеновый фотоэлемент используют в люксметрах — приборах для измерения освещенности. Селеновый фотоэлемент является неотъемлемой частью фотографического экспонометра, который измеряет освещенность фотографируемого объекта. Коэффициент полезного действия селеновых фотоэлементов не превышает 0,1%, и их используют лишь для измерительных целей.

Германиевые фотоэлементы обладают к. п. д около 5 %, кремниевые — от7до 11 % и выше. Из кремниевых фотоэлементов составляют солнечные батареи, которые служат для прямого преобразования излучаемой солнцем энергии в электрическую.

На рисунке 3.9 приведена схема устройства кремниевого фотоэлемента*. Тонкая пластинка кремния покрыта очень тонким (прозрачным) слоем золота. Под действием светового потока в элементе происходит интенсивное движение электронов от поверхности внутрь кремния. В замкнутой цепи течет ток. Электродвижущая сила такого элемента составляет около 0,5 В.

Если произошло короткое замыкание выводных проводов элемента, то при прямом солнечном освещении и площади освещаемой поверхности 1 см₂ ток короткого замыкания достигает 0,025 А.

Чтобы увеличить напряжение, элементы соединяют в батарею последовательно. Если нужно увеличить ток, элементы соединяют параллельно. Для кремниевого фотоэлемента при отсутствии потерь теоретический к.п.д. составляет 22%. Из-за различных потерь (отражение солнечных лучей от поверхности фотоэлемента, наличие сопротивления в самом элементе и контактных выводах) к.п.д. значительно снижается. Подсчитано, что с каждого квадратного метра поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, на уровне верхних слоев атмосферы можно получать мощность, равную 1350 Вт. Энергия, даваемая солнечной батареей площадью 70 м2, смонтированной на крыше небольшого дома, могла бы обеспечить население этого дома электрической энергией для освещения и отопления. Эта батарея должна работать совместно с аккумуляторной батареей, которая днем будет заряжаться, а вечером отдавать энергию для питания электроприборов.

В связи со сложным процессом получения чистого кремния солнечные батареи пока довольно .дороги, но они уже применяются для питания радиотехнических устройств. В частности, солнечные батареи применены на искусственных спутниках земли и космических кораблях для питания радиоаппаратуры и других устройств. Разработаны и находятся в опытно-хозяйственной эксплуатации солнечные батареи для питания электродвигателей привода щитов на оросительных каналах и подъема воды из колодцев на отдаленных пастбищах. С совершенствованием технологии получения чистого кремния солнечные элементы получат широкое применение в повседневной жизни.

В настоящее время разработаны солнечные батареи, позволяющие получать до 100 Вт с 1 м2 площади набора элементов.

В атомных батареях на пластинку кремния или германия нанесен слой радиоактивного материала, излучение которого заменяет свет в фотоэлементах. В зависимости от скорости распада (периода полураспада)** радиоактивного материала батарея может работать без замены до нескольких десятков лет. Из-за высокой стоимости батареи и чрезвычайной вредности радиоактивных излучений атомные батареи не имеют перспектив широкого практического применения.

* О физических процессах в полупроводниках см. гл. 19.

** Период полураспада радиоактивного вещества — время, за которое количество

данного вещества вследствие распада уменьшается в 2 раза. Интенсивность радиоактивного излучения при этом также уменьшается в 2 раза.