Фотовольтаические приемники и преобразователи солнечной энергии

Фотовольтаический приемник – это фотодиод на основе p-n-перехода, структура привидена на рис. Такой прибор по существу представляет собой обратно-смещенный p-n-переход. Важными свойствами такого перхода является наличие обедненной носителями области перехода, концентрирующей относительно сильное поле, и области поглощения, где поглощается падающий свет.

Обедненная область образуется неподвижными положительно заряженными атомами доноров в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцепторов в p-области. Ширина обедненной области зависти от концентрации легирующих примесей. Чем меньше примесей тем шире обедненный слой. Положение и ширина поглощающей области зависит от длины волны падающего света и от материала, из которого сделан диод.

Чем сильней поглощается свет тем тоньше поглощающая область.когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Так создается электроно-дырочная пара. Если такая пара создается в обедненной области , то носители будут разделяться (дрейфовать) под воздействием

Поля в обедненной области. В результате в цепи нагрузки потечет ток. если электроно-дырочная пара образуется вне обедненной области, то дырка будет диффундировать в сторону обедненной области.

Рис. 3.2. Схема ФЭП и его энергетическая диаграмма

Излучение падает на n-слой. В результате внутреннего фотоэффекта происходит поглощение фотонов, если их энергия E_Ф превышает ширину запрещённой зоны

E_Ф = hn > E_g = E_c - E_v. (3.1)

Глубина проникновения фотонов определяется законом поглощения света

Ф = Ф₀ exp (-x/x₀) . (3.2)

Поглощение фотонов в полупроводнике приводит к появлению электронно-дырочных пар (фотоносителей). Фотоносители диффундируют вглубь n-области. Толщина n-области такова, что основная доля созданных излучением фотоносителей не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n-перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n-перехода U₀. При этом дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода. Таким образом, ток фотоносителей через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей (в данном случае дырок).

Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком I. Фотоносители-дырки заряжают p-область положительно, а фотоносители-электроны заряжают n-область отрицательно. Возникающая разность потенциалов U_ф, называемая фотоэдс, снижает внутренний потенциальный барьер на величину eU_ф (рис. 3.2).

При замыкании контактов p-n-перехода на нагрузочное сопротивление R_н (рис. 3.3) в цепи возникает ток

I_фэп=U_p-n/R_н=I_ф-I_p-n=I_ф-I_o[exp(eU/kT)-1], (3.3)

где I_о - тепловой ток, вызванный встречным потоком неосновных носителей; I_p-n и U - ток и напряжение p-n-перехода.

Численное значение фототока определяется условиями оптической генерации и перемещениями носителей заряда - освещённостью, квантовым выходом, коэффициентами поглощения и диффузии, диффузионными длинами, уровнями легирования, концентрацией вредных примесей, качеством контактов, просветления и др. На рис. 3.3 представлены вольтамперные характеристики (ВАХ) при различных уровнях освещённости. Прямая из начала координат соответствует определённому значению R нагрузки.

Рис. 3.3. Схема включения ФЭП и его ВАХ

При коротком замыкании в нагрузке (R = 0) напряжение на ФЭП U = 0, а ток I_кз @ I_ф , т.е. ток фотопреобразователя создан потоком фотоносителей. При разомкнутой внешней цепи (R=¥) I_ф = I_рп . Напряжение на p-n-переходе в режиме холостого хода определяется из (3.3):

U_xx = (kT/e)ln(1 + I_ф / I_o ) . (3.4)

увеличением длины дисперсия ОВ возрастает, а полоса пропускания уменьшается.