1.5 Физические основы фотоэлектрического преобразования

Фотоэлектрические свойства p-n перехода

Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с сетчатым металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки . Рассмотрим вначале два крайних случая: Rн=0 (режим короткого замыкания) и Rн=? (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис.1.5. а, б.

Рис. 1.5. Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении в режиме: а - короткого замыкания; б - холостого хода; в - включения на сопротивление нагрузки.

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p-n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками [32].

При разомкнутой внешней цепи p-n-перехода (рис. 1.5., б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Uх.х.. Полярность Uх.х соответствует прямому смещению p-n-перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок . Величина равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p-n-переход в единицу времени:

,

Где q- величина заряда электрона;

Pu- мощность поглощенного монохроматического излучения частотой н.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hн.?Eg создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис. 1.5, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания Iк.з. равен фототоку

.

В режиме холостого хода (рис. 1.5., б) фототок уравновешивается инжекционным током Im- прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uх.х.. Абсолютное значение инжекционного тока:

,

откуда при Iф>>I0

,

где - постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К=0,86·10-4 эВ/К;

- абсолютная температура,

Io- ток насыщения;

A-«коэффициент неидеальности»- параметр вольт-амперной характеристики p-n-перехода, меняющийся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону:

,

где - приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.

Для фотоэлементов хорошего качества при рабочих величинах солнечной освещенности А близок к единице.

Работа фотоэлемента сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае - электронов в p-области и дырок в n-области). При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов с hх?Eg, либо расходуется на нагревание кристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рис. 1.5., б. Режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы выпрямительных диодов в пропускном направлении.