Солнечные элементы

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; U_E— 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.