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 _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.