Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Фотоэлектрические свойства p-n перехода
Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки . Рассмотрим вначале два крайних случая: (режим короткого замыкания) и (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 5.3а, б.
В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p–n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p–n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p–n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками. При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода (рис.5.3, б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода . Полярность соответствует прямому смещению p–n-перехода. Поток генерированных светом носителей образует фототок . Величина равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-переход в единицу времени , (5.3) где – величина заряда электрона; – мощность поглощенного монохроматического излучения.
Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs. При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис. 5.3.а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания равен фототоку . (5.4) В режиме холостого хода (рис.5.3., б) фототок уравновешивается «темновым» током – прямым током через p–n-переход, возникающим при напряжении смещения . Абсолютное значение «темнового» тока , (5.5) откуда при , (5.6) где – постоянная Больцмана, 1, 38·10-23 Дж/К=0, 86·10-4 эВ/К; А- параметр вольт-амперной характеристики p–n-перехода, меняющийся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону
, (5.7) где – приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок. «Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае – электронов в p-области). При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов с , либо расходуется на нагревание кристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рисунке 5.3., б. Т.о., режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.
|