Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

1 2 3

Поток генерированных светом носителей образует фототок

Iф. Вели-

чина

Iф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-

переход в единицу времени

I ф

где q – величина заряда электрона;

= q и, (3.3.1)

Pи – мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фо-

тон с энергией

hv ³ E g

создает одну электронно-дырочную пару. Это усло-

вие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs (в

кремнии внутренний фотоэффект имеет место для волн с длиной

l£1,1мкм,

т.е. для видимого, ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излуче-

ний).

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе

режим короткого замыкания эквивалентен нулевому напряжению смещения

p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания

I к. з

равен фототоку

I к. з

= I ф. (3.3.2)

В режиме холостого хода фототок уравновешивается «темновым» то-

ком

I т – прямым током через p–n-переход, возникающим при напряжении

смещения U = U х. х. При этом через p-n-переход протекают следующие токи:

неосновных носителей, основных носителей и первичный фототок. Абсо-

лютное значение «темнового» тока

⎛ qU

I = I ⎜ e kT

т ⎜

⎝

⎞

-1⎟= I, (3.3.3)

⎟ ф

⎠

где k – постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К=0,86·10-4 эВ/К;

T – абсолютная тмпература, К;

I 0 – ток насыщения (представляет сумму токов неосновных носителей);

Полный ток через p-n-переход равен

⎛ qU ⎞

⎜ 1⎟

. (3.3.4)

I = I 0

⎜ e kT -

⎝

⎟- I ф

⎠

Эта формула описывает вольт-амперную характеристику освещенного p–n-

перехода.

Напряжение смещения

U = kT

⎛ I ф + I

⎜

ln⎜

⎞

⎟

+1⎟, (3.3.5)

q ⎝ I 0 ⎠

откуда напряжение холостого хода

kT ⎛ I ⎞

U х. х =

ln⎜ ф

⎜ I

q ⎝ 0

+ 1⎟. (3.3.6)

⎟

⎠

Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротивления

нагрузки. Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением

I ф,

а сам ток нагрузки

I н равен результирующему току через p–n-переход

(3.3.4). Принимая направление тока

писать

I ф за положительное, для

I н можно за-

I н = I ф

⎛

- I ⎜ e

⎜

⎝

qU н

⎞

-1⎟, (3.3.7)

⎟

⎠

здесь U н

– напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n-переходе.

Выражение (3.3.7) описывает нагрузочную вольт-амперную характери-

стику освещенного p–n-перехода. Нагрузочная вольт-амперная характери-

стика арсенид-галлиевого p–n-перехода для значения фототока

бражена на рис. 3.3.1, а.

I ф =1 А изо-

Освещенный p–n-переход в соответствии с выражением (3.3.7) может

быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 3.3.1, б). Здесь источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напря- жения p–n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный p–n-переход.

При варьировании Rн

переходом.

фототок перераспределяется между нагрузкой и p–n-