Солнечные элементы

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/?, 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.

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

I? ₃₂(?) =I? ₃₁(?)/(1-r(?)),

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

Для нахождения r(?) 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=I? ₃₂/N₀

где I? 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=??,

где ? — квантовый выход внутреннего фотоэффекта, определяемый числом пар электрон — дырка, создаваемых внутри полупроводника каждым поглощенным квантом за счет процесса фотоионизации; ? — 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.