Полупроводниковые фотоэлементы

Полупроводниковый фотоэлемент – это прибор с выпрямляющим переходом для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую.

Рассмотрим p-n переход при освещении при прямом напряжении (рис. 6.6). Такой режим называется режимом генерации фотоэдс, т.к. происходит генерация носителей заряда. Электрическое поле их разделяет, в результате накопления электронов в n-области и дырок в р-области возникает дополнительная разность потенциалов – фотоэдс.

Фотоэлементы применяют в виде солнечных батарей. Обычно для этого используется Si. В p-Si p-n переход создается диффузией P или Sb.

Характеристики фотоэлементов:

– точка пересечения ВАХ с осью напряжения соответствует значениям фотоэдс или напряжениям холостого хода при разных освещенностях (у Si это 0,5 – 0,55 В);

– точка пересечения с осью тока соответствует токам короткого замыкания (у Si это 20 – 25 мА/см²);

– световая характеристика – зависимость фотоэдс и тока короткого замыкания от светового потока или освещенности;

– спектральная характеристика – зависимость тока короткого замыкания от длины волны. Спектральная зависимость фотоэлементов аналогична спектральным характеристикам фотодиодов, изготовленных из того же полупроводника. Максимум спектральной зависимости кремниевых фотоэлементов соответствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света. Поэтому именно фотоэлементы из Si используют для создания солнечных батарей;

– коэффициент полезного действия – это отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность. К.п.д. кремниевых фотоэлементов при преобразовании солнечной энергии не превышает 12 %. Его можно повысить, если вместо Si использовать CdTe, GaAs или другие материалы с большей шириной запрещенной зоны, чем у Si, или используя фотоэлементы с гетеропереходами.