Солнечные элементы

Таким образом, с момента начала освещения по мере накопления избыточной (по сравнению с равновесной) концентрации электронов в электронной части p-n-перехода и дырок в дырочной происходит уменьшение высоты барьера, или электростатического потенциала (см. рис. 2.5), что вызывает увеличение тока во внешней нагрузке и возрастание плотности встречных потоков электронов и дырок через p-n-переход.

Когда число создаваемых светом избыточных пар сравняется с числом пар, уходящих через p-n-переход или во внешнюю нагрузку, установится стационарное состояние. Как правило, это происходит через тысячные доли секунды после начала освещения.

Измерение тока короткого замыкания солнечного элемента одновременно с исследованием спектрального состава и плотности падающего оптического излучения позволяет получить представление об эффективности каждой из стадий процесса преобразования излучения в электрическую энергию, происходящего внутри элемента.

Прежде всего, конечно, полезно условиться о том, по отношению к какому — падающему или поглощенному — потоку излучения производится оценка рассматриваемых процессов. В пределах линейной зависимости тока короткого замыкания солнечного элемента от плотности потока излучения справедливо соотношение

Iκ ₃₂(λ) =Iκ ₃₁(λ)/(1-r(λ)),

где I_{κ 32}(λ), Iκ ₃₁(λ) — ток короткого замыкания солнечного элемента при заданной интенсивности соответственно поглощенного и падающего излучений; r(λ) — коэффициент однократного отражения. Все три величины отнесены здесь к одной и той же определенной длине волны.

Для нахождения r(λ) необходимо знать п и k, а в области основной полосы поглощения, где к мало, достаточно иметь лишь данные о показателе преломления п.

Для сравнения малоизученных полупроводников, когда известно только значение ширины запрещенной зоны E_g и оптические константы еще не определены, можно воспользоваться для вычисления п эмпирическим правилом Мосса: E_gn⁴=173.

Весьма полезна для анализа и оценки качества солнечного элемента такая характеристика, как спектральная зависимость тока короткого замыкания элемента, рассчитанная на один квант поглощенного света. Эту величину обычно называют эффективным квантовым выходом солнечного элемента Q_эф. Если N₀ — число квантов, падающих на единицу поверхности полупроводника, то

Q_эф=Iκ ₃₂/N₀

где Iκ ₃₂ измеряется в электронах в секунду, a Q_эф выражается в электронах на квант (фотон).

Эффективный квантовый выход элемента зависит от двух параметров:

Q_эф=βγ,

где β — квантовый выход внутреннего фотоэффекта, определяемый числом пар электрон — дырка, создаваемых внутри полупроводника каждым поглощенным квантом за счет процесса фотоионизации; γ — эффективность собирания носителей (или, иначе, коэффициент разделения носителей) потенциальным барьером p-n-перехода, показывающая, какая часть из общего числа пар, созданных оптическим излучением, участвует в формировании тока короткого замыкания солнечного элемента при подключении внешнего регистрирующего прибора.

Принято считать квантовый выход фотоэффекта равным единице, если каждый поглощенный квант создает одну пару электрон — дырка.

Квантовый выход внутреннего фотоэффекта для кремния был изучен с помощью прецизионной установки, позволявшей одновременно измерять ток короткого замыкания полупроводниковых кристаллов с p-n-переходом и суммарное (диффузное+зеркальное) отражение от их поверхности. Спектр падающего на кристалл оптического излучения изучался с помощью зеркального монохроматора, для создания заданной температуры кристалла применялись криостат и электрическая печь, а для определения энергии квантов — калиброванный термостолбик. Отраженное от поверхности кристаллов излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра (до длины волны 0,25 мкм) регистрировалось пластинкой с люминофором и установленным за ней фотоумножителем.

Квантовый выход внутреннего фотоэффекта при этом рассчитывался по формуле

β=Iκ ₃₁/ (1-r) qN₀γ,

где q — заряд электрона, поскольку Iκ ₃₁ выражен в энергетических единицах.

Эти измерения были выполнены на кристаллах с р-n-переходом, в которых фотоэлектрический эффект обнаруживается сразу — по генерируемому в цепи току без приложения внешнего напряжения. Обеспечивались условия, когда эффективность собирания носителей γ=l (или по крайней мере сохраняет постоянное значение во всем использованном диапазоне спектра), чтобы при расчете можно было пользоваться приведенной выше формулой. В связи с этим для экспериментов выбирались кристаллы с большой диффузионной длиной неосновных носителей заряда в верхнем легированном слое Lπ. Глубина залегания p-n-перехода l_лбыла небольшой, и соблюдалось условие L_π>l_π. К тому же эксперименты проводились только в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.