Факторы, обусловленные несовершенством фотопреобразователя

В фотоэлектрическом преобразователе падающая на него энергия излучения частично превращается в потенциальную энергию носителей тока. Эта потенциальная энергия и является той э. д. с. преобразователя, которая вызывает ток при подключении к преобразователю внешней нагрузки. Вследствие несовершенства устройства одновременно с полезным превращением энергии идут процессы, сопровождающиеся бесполезным рассеянием энергии в пространство в виде тепла.

В каждом фотоэлектрическом преобразователе имеют место в той или иной мере следующие виды потерь энергии (рис.5.6):

- световые потери;

- потери энергии электронов и дырок при движении их внутри преобразователя.

Световые потери получаются из-за:

-отражения падающего излучения от поверхности преобразователя;

-фотоэлектрические неактивного поглощения фотонов в рабочем веществе преобразователя, т. е. поглощения фотонов без образования в полупроводнике пары электрон-дырка;

- прохождение некоторого количества фотонов до заднего (тыльного) электрода и поглощения в нем.

Потери энергии электронов и дырок при их движении внутри преобразователя происходят за счет следующих процессов:

-рекомбинации созданных светом пар, сопровождающейся передачей энергии решетке;

-утечки фотоэлектронов и фотодырок через шунтирующее сопротивление R_ш;

-потери энергии фотоэлектронами или фотодырками при их столкновении с атомами решетки (переход в пределах одной и той же зоны на нижележащие уровни);

-прохождени фотоэлектронов и фотодырок через последовательное сопротивление преобразователя R_п.

Рекомбинация образованных светом пар и утечка через шунтирующее сопротивление составляют потери по току и определяют, какая часть созданных светом носителей доходит до р-п -перехода, создавая ток через сопротивление нагрузки.

Потеря энергии фотоэлектронов (или фотодырок) при столкновении с атомами решетки и прохождение их че­рез последовательное сопротивление дают потери по напряжению. Потери по напряжению показывают, какая часть (в среднем) энергии, переданная электрону (дырке) от фотона, теряется бесполезно.

Световые потери. Коэффициент отражения кремния достаточно высок и примерно равен 30%. Потери на отражение можно уменьшить, применяя различного рода просветляющие слои, подобные слоям на объективах фотоаппаратов. Это позволяет уменьшить отражение в видимой части спектра до 6—9%.

Часть энергии излучения, падающего на фотопреобразователь, теряется за счет поглощения в теле полупроводника, не связанного с образованием пар носителей тока, т. е. превращается в тепло. Энергия всей длинноволновой (неактивной) части солнечного спектра, соответствующей квантам с энергией, меньшей 1, 12 эв, в спектре солнечного излучения составляет 12-20%. С учетом потерь на отражение активной части спектра световые потери составят не менее 26-30% падающей энергии.

На рисунке 5.6 показано распределение потерь для кремниевого фотоэлемента, работающего в оптимальных условиях. Остановимся на каждом из перечисленных выше видов потерь.

Количество энергии, теряемой за счет поглощения в тыльном электроде, определяется толщиной слоя рабочего вещества. Обычно до тыльного электрода доходит очень небольшая доля излучения длинноволновой области активной части спектра.

Рекомбинационные потери. Не все неосновные носители тока, созданные светом в толще полупроводника, будут участвовать в образовании тока в нагрузке. Часть из них рекомбинирует с основными носителями в объеме или на поверхности. Это обстоятельство учитывается введением коэффициента α, характеризующего эффективность разделения пар.

Эффективность разделения пар зависит от ряда факторов:

1) коэффициента поглощения света в полупроводнике;

2) соотношения между глубиной залегания р-п -перехода и размером области, в которой происходит образование пар;

3) ширины самого р-п- перехода;

4) длины диффузионного смещения носителей тока;

5) скорости поверхностной рекомбинации, зависящей от состояния рабочей поверхности.

Рисунок 5.6 Схема распределения потерь энергии в кремниевом

фотопреобразователе

Для снижения потерь на рекомбинацию необходимо, чтобы переход отстоял от области, где образуются пары, на расстоянии, меньшем, чем длина диффузионного смещения. Кроме того, следует свести до минимума скорость поверхностной рекомбинации, которая может заметно снизить к.п.д. фотоэлемента.

Последовательное сопротивление и обусловленная им конструкция фотопреобразователя. Последовательное сопротивление фотопреобразователя R_n является фактором, в значительной степени определяющим его каче­ство.

Величина последовательного сопротивления, а, следовательно, и потери в нем определяются удельным сопротивлением материала фотопреобразователя и его конструкцией, а также качеством и геометрией контакта и всего устройства. Для уменьшения необходимо использовать материал с малым сопротивлением.

Фотопреобразователи круглой формы (в виде диска) и небольших размеров имеют контакт на рабочей по­верхности в виде узкого канта, нанесенного по краю кремниевого диска.

Шунтирующее сопротивление. R_ш оказывает на работу преобразователя значительно меньшее влияние, чем R_n. Обычно величина R_ш превышает 1 000 О м. Но даже при R_m=100 Ом потери тока, обусловленные этим сопротивлением, составляют 1% генерируемого тока и потеря в снимаемой мощности незначительна. Причиной уменьшения величины R_ш обычно являются различные посторонние включения, которые по тем или иным причинам остались в процессе производства на поверхности фотоэлемента у мест выхода р-п -перехода наружу.