2014-01-25
1437
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 λ ЕS. 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 φ 0.
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.
