Полупроводниковые фотоэлементы

В полупроводниковом фотоэлементе с p–n-переходом происходит непосредственное преобразование световой энергии в электрическую. Структура кремниевого фотоэлемента приведена на рис. 11. Он представляет собой плоскую пластину кремния с электропроводностью р-типа, на поверхности которой создан тонкий слой с проводимостью n⁺-типа. Высокая проводимость этого слоя позволяет создать омический контакт в виде кольца или рамки на нижней поверхности фотоэлемента, оставив всю верхнюю поверхность кристалла открытой для освещения.

Вольтамперная характеристика фотоэлемента аналогична ВАХ фотодиода (рис. 9). Части кривых, расположенные в третьем квадранте (при обратном напряжении) соответствуют фотодиодному режиму работы p–n-перехода; части кривых, расположенные в четвертом квадранте – режиму генерации фото-ЭДС.

 

Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии (четвертый квадрант на ВАХ p–n-перехода (рис. 12). Если к фотоэлементу подключить внешнюю нагрузку (рис. 13), то при освещении p–n-перехода по цепи потечет ток. Точки пересечения ВАХ с осью токов (U = 0) соответствуют значениям токов короткого замыкания (R_н = 0). Из уравнения (2.3) при U = 0 и уравнения (2.5) получим

I_кз = –I_ф = –K_инт Ф. (2.6)

Ток короткого замыкания зависит от площади фотоэлемента I_кз = –K_λЕS. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания I_кз/S = 20÷25 мА/см² = 200÷250 А/м² при средней освещенности солнечным светом.

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений (при R_н = ∞) соответствуют значениям фото-ЭДС φ₀ или напряжениям холостого хода U_хх. Приняв в уравнении (2.3) I = 0, можно найти напряжение холостого хода:

. (2.7)

где I_s = I_nE+I_pE – обратный ток p–n-перехода.

Формула (2.7) справедлива, пока концентрация неосновных носителей много меньше концентрации основных носителей заряда. При большой интенсивности света максимальное значение фото-ЭДС стремиться к величине контактной разности потенциалов p–n-перехода φ₀.

У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0.5÷0.55 В. Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят от площади p–n-перехода фотоэлемента.

По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки R_{н опт}, при котором в нагрузке будет выделяться максимальная мощность Р_max. Для этого необходимо провести нагрузочную прямую из начала координат I = ‑U/R_н (рис. 12). Точка пересечения ВАХ с нагрузочной прямой определяет напряжение U_н и ток нагрузки I_н. Мощность выделяемая в нагрузке P_н = U_н∙|I_н|.

Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке U_н = 0.35÷0.4 В и J = 15÷20 мА/см². Таким образом, при средней освещенности электрическая мощность с одного квадратного сантиметра фотоэлемента составляет P = 5÷8 мВт.

Световые характеристики фотоэлемента рис. 14 показывают зависимость напряжения холостого хода U_хх = φ_ф и тока короткого замыкания I_кз = I_ф от освещенности, создаваемой лампой накаливания с температурой вольфрамовой нити Т = 2842 К: U_хх = f(E) и I_кз = f(E). Зависимость I_кз от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна (рис. 14, сплошная линия), а напряжения холостого хода пропорциональна логарифму освещенности (рис. 14, штриховая линия).

Отношение К_инт = I_кз/E называется интегральной чувствительностью фотоэлемента.

Спектральная характеристика фотоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света I_кз = f(λ) при Е = const. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов (рис. 3) почти совпадает с максимумом спектрального распределения энергии солнечного света. Поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей.

Коэффициент полезного действия фотоэлемента η = Р_max/Р_ф, где Р_ф – мощность светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента. Теоретический предел КПД, кремниевого солнечного фотоэлемента составляет 23%.

Уменьшение КПД фотоэлементов происходит из-за частичного отражения излучения от поверхности полупроводника, поглощения квантов света без образования пар электрон – дырка, рекомбинации неравновесных носителей до их разделения электрическим полем в p–n-переходе, потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате КПД кремниевых фотоэлементов, выпускаемых промышленностью, составляет порядка 12%. Для увеличения КПД можно изготовить фотоэлемент на основе гетероперехода.